своей целью дать полный обзор с исчерпывающими деталями, а хотим просто ознакомить вас с предметом, а также рассказать, какие генераторы когда применяются.

4.12. Релаксационные генераторы

Очень простой генератор легко получить таким образом: будем заряжать конденсатор через резистор или источник тока, затем быстро его разрядим, когда напряжение достигнет некоторого порогового значения, и начнем цикл сначала. Это можно сделать с помощью внешней цепи, предназначенной для изменения полярности заряжающего тока при достижении порогового напряжения; таким образом будут генерироваться колебания треугольной формы. Генераторы, построенные на этом принципе, известны под названием релаксационные генераторы . Они просты и недороги и при умелом проектировании могут быть сделаны вполне стабильными по частоте.

Рис. 4.22. Релаксационный генератор на базе ОУ.

Раньше для создания релаксационных генераторов применялись устройства с отрицательным сопротивлением, такие, как однопере-ходные транзисторы или неоновые лампы, теперь предпочитают ОУ и специальные ИМС-таймеры. На рис. 4.22 показан классический релаксационный /?С-генератор. Работает он просто: допустим, что когда впервые прикладывается напряжение, выходной сигнал ОУ выходит на положительное насыщение (каким образом это произойдет - неважно). Конденсатор начинает заряжаться до напряжения с постоянной времени, равной RC. Когда напряжение конденсатора достигнет половины напряжения (7+, ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения (он включен как триггер Шмитта) и конденсатор начинает разряжаться до U с той же самой постоянной време-*и. Цикл повторяется бесконечно, с периодом 2,2 RC, не зависящим от напряжения питания.

Упражнение 4.4. Покажите, что этот период указан верно.

Глала 4

Применяя для заряда конденсатора источники тока, можно полу-чить колебания хорошей треугольной формы. Пример удачной схемы, использующей этот метод, был приведен в разд. 3.28.

4.13. Классическая ИМС таймера - 555

Следующий уровень усложнения включает использование в качестве релаксационных генераторов ИМС таймеров или ИМС генераторов колебаний специальной формы. Наиболее популярная ИМС таймера - это 555. Работа этой ИМС часто толкуется неверно, поэтому мы

iZuk при 5В 8 мА при П В

40 мА прк -3.5 Б 1 10 мА прк Z.4B

Выход

Земля(t) 0 Сброс Рис. 4.23. Упрощенная эквивалентная схема ИМС 555.

дадим анализ работы прямо по эквивалентной схеме (рис. 4.23). Некоторые символы на ней относятся к области цифровой техники (гл. 8 и следующие), поэтому вы пока еще не станете экспертом по ИМС 555. Но принцип действия его достаточно прост: пусть в исходном состоянии выходной сигнал имеет высокий уровень (около (/кк)- когда переключается сигнал на входе Триггер , выходной сигнал остается на высоком уровне, пока не произойдет переключение входа Порог ; в этот момент выходной сигнал падает до низкого уровня (около земли ), и тогда включается транзистор Разряд . Вход Триггер вклю-

чается при уровне входного сигнала меньше Vskk. а Порог - при уровне сигнала больше /з^кк-

Самый легкий способ понять работу ИМС 555 - это рассмотреть пример (рис. 4.24). В момент включения питания конденсатор разряжен, поэтому 555 оказывается в состоянии, когда выходной сигнал имеет высокий уровень, транзистор разряда закрыт и конденсатор начинает заряжаться до 10 В через резисторы Ra и R. Когда напряжение на конденсаторе достигнет Vskk, переключается вход Порог и выходной сигнал переходит в состояние низкого уровня, одновременно происходит отпирание транзистора Ти разряжающего конденсатор на землю через резистор R. Схема переходит в периодический режим работы, и напряжение на конденсаторе колеблется между значениями

Рис. 4.24. ИМС 555, включенная как генератор.

/з^кк И /з^кк с периодом 7=0,693 {Ra+2Rq)C.B качестве выходного сигнала обычно используют прямоугольные импульсы, снимаемые с клеммы выхода.

Упражнение 4.5. Покажите, что колебания будут иметь указанный период независимо 01 величины напряжения питания.

Схема 555 представляет собой довольно приличный генератор со стабильностью около 1 %. Она может работать от одиночного источника питания напряжением от 4,5 до 16 В, сохраняя стабильную частоту при изменениях напряжения питания, поскольку пороги следят за флуктуациями питания. Схему 555 можно применять также для генерации отдельных импульсов произвольной длительности и еще для многих целей. И притом это небольшой кристалл, содержащий простые компараторы, вентили и триггеры. В электронной промышленности появилась игра - придумать еще новое применение схемы 555. И надо сказать, что многие в этом развлечении преуспевают.

Выпускается и ряд других превосходных таймеров-ИС. 556- сдвоенный 555 в 14-контактном корпусе DIP. Intersil 7555 есть маломощный 555, построенный на КМОП; он потребляет ток питания всего 80 мкА при напряжении от 2 до 18 В. 7556 - это сдвоенный /555. Таймер 322 фирмы National содержит встроенный источник эталонного напряжения для задания порога срабатывания.

Генераторы, управляемые напряжением. Остальные генера-орные Ис выпускаются обычно в виде генераторов, управляемых на-

Пряжением (ГУН), у которых выходной сигнал изменяется в некотором диапазоне в соответствии с управляющим входным напряжением. Лучшие из этих схем имеют частотные диапазоны, превосходящие 1 : 1000. Примерами таких схем являются схема-прототип 566 и более новые ИМС: LM331, 8038, 2206, 74LS124, 74LS325-327, 74LS124 и МС4024.

Схема 74LS124 способна работать на высоких частотах порядка 80 МГц. Схемы типа 74 и схема 4024 требуют внешней iC-цепи для установления номинальной частоты и генерируют выходные сигналы с обычными логическими уровнями. Схема LM331 фактически является преобразователем напряжение - частота (( /-преобразователь), эти приборы мы рассмотрим в разд. 9.22.

В других схемах используются внутренние источники тока для генерации треугольных импульсов, а схемы 8038 и 2206 даже имеют набор мягких клемм для преобразования треугольных импульсов в гармонические колебания с помощью ограничения. Иногда в ИМС ГУН используются эталонное напряжение управления (например, положительный источник питания) и усложненные симметрированные

+5 В

Рис. 4.25. Типичная ИС преобразователя напряжение/частота (нуль

входного напряжения дает 10 кГц); =(0,478/ с) (/?и/и'вх- формуле относится к резистору, соединенному с выводом 1.- Прим. ред.)

схемы для получения синусоидального сигнала. По нашему мнению, идеальный ГУН все еще ждет своей разработки. Многие из этих ИМС могут применяться с внешними кварцевыми резонаторами для повышения точности и стабильности (это мы обсудим позже); в таких случаях кристалл просто устанавливается вместо конденсатора. На рис. 4.25 показана схема ГУН с диапазоном выходного сигнала от 10 Гц до 10 кГц, построенная на основе LM331.

4.14. Мостовые генераторы Вина и LC-генераторы

Для получения синусоидального сигнала с малыми искажениями ни одна из описанных схем, вообще говоря, не подходит. Хотя в большинстве функциональных генераторов на широкий диапазон частот используется размывание треугольного импульса с помощью диодных ограничителей, в конце концов уровень искажений редко удается снизить до значений, меньших 1 %. Для сравнения: большинство высококачественных звуковых колонок требуют усилителей с уровнем искажений не больше 0,1%. Для испытания подобной аппаратуры требуются источники чистого синусоидального сигнала с остаточным искажением не больше 0,05%.

Лампа 18Б9

Рис. 4.26. Мостовые генераторы Вина с малыми искажениями.

Выходная частота f=l/2nRC.

На низких и средних частотах хорошим источником синусоидальных колебаний с малым уровнем искажений может служить мостовой генератор Вина (рис. 4.26). Идея его состоит в том, чтобы построить Усилитель с обратной связью, имеющий сдвиг фазы 180° на нужной частоте, а затем отрегулировать петлевое усиление таким образом, чтобы имели место автоколебания. Для одинаковых значений R и С, как изображено на рис. 4.26, коэффициент усиления по напряжению выходного сигнала по отношению к сигналу на неинвертирующем входе ОУ должен быть в точности равен -+-3,0. При меньшем усилении колебания затухают, при большем - выходной сигнал будет достигать насыщения. Искажение будет малым, пока амплитуда колебаний выходит за пределы линейного участка характеристики усилителя,

е. не следует допускать колебаний полного размаха. Если не приме-поо^ торых приемов для управления усилением, то именно это и

роизоидет - выходной сигнал усилителя будет возрастать до уров-

ня, при котором коэффициент усиления упадет до 3,0 благодаря насыщению. Как мы увидим, эти приемы включают в себя некую управляющую усилением обратную связь с большой постоянной времени.

В первой схеме (рис. 4.26) используется лампа накаливания в качестве элемента обратной связи с переменным сопротивлением. При повышении уровня выходного сигнала нагревается нить лампы, уменьшая коэффициент неинвертирующего усиления. Во второй схеме амплитудный детектор, состоящий из диодов и /?С-цепи, регулирует усиление по переменному току, меняя сопротивление полевого транзистора,- эти транзисторы при малых напряжениях ведут себя как нелинейное сопротивление. Отметьте использование большой постоянной времени (2 с); для исключения искажений это существенно, поскольку быстродействующая обратная связь исказила бы генерируемую синусоидальную волну, пытаясь регулировать амплитуду в пределах одного периода.

4.15. L С-генераторы

Наиболее распространенный способ получения высокочастотных синусоидальных колебаний - это применение генератора, стабилизированного LC-контуром, в котором LC-контур, настроенный на определенную частоту, присоединен к усилителеподобной схеме для того, чтобы обеспечить усиление на его резонансной частоте. Охватывающая

Регулировка,

искажении

ком

680пФ

47n<P

,4/ r,.

Выход

Рис. 4.27. Генератор Колпнтца с малыми искажениями, частота 20 МГц (а); iC-генератор Хартли (б).

схему петля обратной связи применяется для поддержания колебани!! на резонансной частоте LC-контура. Такая схема будет самозапускающейся .

На рис. 4.27 показаны две часто используемые схемы. Первая - это настоящий генератор Колпитца: параллельный LC-контур на входе и петля положительной обратной связи с выхода на вход. Здесь используется полевой транзистор - прибор, который мы рассмотрим в

гл. 6, и, ПО имеющимся сведениям, его искажения меньше -60 дБ. Вторая схема - это генератор Хартли, построенный на п - р - п-транзисторе. Переменный конденсатор служит для регулировки частоты. В обеих схемах используется катушка связи, т. е. просто несколько витков провода, действующих как понижающий трансформатор.

По историческим соображениям следовало бы рассмотреть генераторы, близко родственные LC-генераторам, а именно камертонные генераторы. В этих генераторах высокодобротные колебания камертона задают частоту генератора в низкочастотном диапазоне (стабильность несколько миллионных долей при постоянной температуре); это соответствует стабильности наручных часов. Но кварцевые генераторы все-таки лучше, как будет показано в следующем разделе.

Паразитные колебания. Предположим, что вы собрали славный усилитель и испытали его, подавая на вход синусоидальный сигнал. Затем подключили ко входу усилителя генератор прямоугольных импульсов и увидели на выходе по-прежнему синусоидальный сигнал. У вас не усилитель, а сплошные хлопоты. Но паразитные колебания не всегда проявляются так явно. Обычно они бывают заметны в виде размытия части импульса, гуляющего источника тока, необъяснимых сдвигов у ОУ, или схема, нормально ведущая себя, пока за ней наблюдают на осциллографе, вдруг дичает , стоит лишь перестать за ней следить. Все это - разнообразные проявления неподавленных высокочастотных паразитных колебаний, порожденных непреднамеренно получившимся генератором Хартли или Колпитца, возникшим на основе индуктивности вводов и Межэлектродных емкостей.

На схеме рис. 4.28 показан осциллирующий источник тока, воз-

Рис. 4.28. Пример паразитного генератора.

никший при выполнении студенческой лабораторной работы по электронике, где с помощью вольтомметра измерялся рабочий диапазон обычного транзисторного источника тока. Казалось, что ток меняется слишком сильно (от 5 до 10%) при изменениях напряжения на нагруз-в пределах ожидаемого рабочего диапазона - симптом, который снимался прикосновением пальца к выводу коллектора! Емкость Между коллектором и базой плюс емкость измерительного прибора в сочетании с индуктивностью измерительного прибора образовала классический генератор Хартли, в котором обратная связь обеспечивалась емкостью между коллектором и эмиттером. Добавление небольшого

278 Глша 4

резистора в цепь базы подавило эти колебания за счет уменьшения коэффициента усиления в схеме с общей базой на высоких частотах. Это один из приемов, часто бывающих полезными.

4.16. Генераторы с кварцевыми резонаторами

От /?С-генератора можно легко добиться стабильности порядка 0,1 % при начальной точности по частоте от 5 до 10%. Это вполне удовлетворительно для многих применений, таких, например, кш мультиплексный индикатор карманного калькулятора, где цифры многозначного числа подсвечиваются одна за другой с быстрым чередованием (обычная частота - 1 кГц). В каждый момент времени горит только одна цифра, но глаз видит все число. Ясно, что точность здесь не очень важна. Несколько лучше стабильность LC-генераторов - порядка 0,01% в течение разумного промежутка времени. Этого вполне достаточно для гетеродинов радиоприемников и телевизоров.

Для получения по-настоящему устойчивых колебаний кристаллические генераторы незаменимы. В них используется кусок кварца (искусственного - двуокись кремния), вырезанный и отшлифованный таким образом, что он имеет определенную частоту колебаний. Кварц- пьезоэлектрик (его деформация вызывает появление электрического потенциала, и наоборот), поэтому упругие колебания кристалла могут быть вызваны приложением электрического поля, а эти колебания в свою очередь генерируют напряжение на гранях кристалла. Помещая на поверхности кристалла контакты, вы превращаете его в истинный схемный элемент, эквивалентный некоторой RLC-cxeue, заранее настроенной на определенную частоту. Полная эквивалентная схема этого элемента содержит два конденсатора, дающих пару близко расположен-J-£ ных резонансных частот - последовательного и Г параллельного контура (рис. 4.29), отличающихся друг от друга не более чем на 1 %. Результат этого эффекта - резкое изменение реактивного сопротивления с частотой (рис. 4.30). Высокая добротность кварцевого кристалла (обычно около 10 ООО) и хорошая стабильность делают ес-Рис. 4.29. тественным его применение как задающего эле-

мента в генераторах и фильтрах с улучшенными параметрами (разд. 13.12). В схемах с кварцевыми резонаторами, как и в LC-генераторах, вводят положительную обратную связь и обеспечивают усиление на резонансной частоте, что ведет к автоколебаниям.

На рис. 4.31 показаны некоторые схемы кварцевых генераторов^ На рис. 4.31, а показан классический генератор Пирса, использующий

1> Обратная связь в генераторах Колпитца и Пирса становится положительной на частоте резонанса за счет сдвига фазы в контуре или кристалле.- Прим. ред.

490°

емкостное

)0В

1000 пЧ

Др Z.SI

Выход

2.5 мГн 1000

2N5485

10 МОм

+24 В

4,7 кОм

1000

1М0м

Выход ZNS4S5

1.0 кОм

I [

JВыход ZN4124

0.05--- , I 4 РХ Д

КМОП-инвертор - - Выход

10 МОм -СП-

. 32,788 KFui 20 пФ

100 КОМ.

♦5-

12 13

Рис, 4.31, Схемы некоторых генераторов с кварцевыми резонаторами,

енератор Пирса, б генератор Колпитца.

обычный полевой транзистор (см. гл. 6). На рис. 4.31, б изображен генератор Колпитца с кристаллом вместо LC-контура. В схеме 4.31, в в качестве элемента обратной связи используется сочетание биполярного п - р - п-транзистора с кристаллом. Остальные схемы генерируют выходной сигнал с логическими уровнями и используют цифровые логические КМОП-элементы (схема г) и ТТЛ ГУН, описанные выше (схемы д, е).

Приемлемую альтернативу этим кварцевым генераторам для тех применений, в которых не нужен выходной сигнал, совместимый с логическими схемами, составляют схемы серии SL680/1680 ( схемы, сохраняющие свойства кварцевых резонаторов ) фирмы Plessey semiconductors. Эти ИМС задуманы как схемы генераторов к кристаллам в диапазоне от 100 кГц до 100 МГц и спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать исключительно высокую устойчивость по частоте, фактически лимитируемую лишь свойствами самого кристалла, путем тщательного ограничения амплитуды колебаний с помощью встроенных амплитудных дискриминаторов и ограничителей. Типичная цифра для оценки стабильности частоты у этих схем при идеальном кристалле составляет 0,001 млн. ч./°С и 0,1 млн. ч./В изменения напряжения питания. Эти ИМС содержат встроенные стабилизаторы напряжения и у серии SL680 - возможность получения выхода не только по напряжению, но и по току.

Кварцевые резонаторы выпускаются на диапазон от 10 кГц до 10 МГц, а у некоторых образцов высокие обертоны доходят до 250 МГц. Для каждой частоты нужен свой резонатор, но для наиболее употребительных частот резонаторы выпускаются серийно. Всегда легко достать резонаторы на частоты 100 кГц, 1, 2, 4, 5 и 10 МГц. Кристалл на частоту 3,579545 МГц (стоящий меньше доллара) применяется в генераторе импульсов цветности телевизоров. Для электронных наручных часов нужна частота 32,768 кГц (или 2 Гц), и вообще, часто нужны частоты, равные 2 в какой-то степени Гц. Кварцевый генератор легко регулировать с помощью последовательных или параллельных конденсаторов переменной емкости (см. рис. 4.31, г). Благодаря дешевизне кварцевых резонаторов всегда имеет смысл рассмотреть возможность их применения в тех случаях, где 7?С-генераторы работают на пределе своих возможностей. Без особых усилий можно с помощью кварцевого резонатора обеспечить стабильность частоты порядка нескольких миллионных долей в нормальном температурном диапазоне. Применяя схемы температурной компенсации, можно построить темпера-турно-компенсированный кварцевый генератор (ТККГ) с несколько улучшенными параметрами. И ТККГ, и некомпенсированный генератор выпускаются в виде готовых модулей разными фирмами, например фирмами Bliley, CTS Knights, Motorola, Reeves Hoffman, Statek и Vectron. Они бывают разных габаритов, иногда не больше корпуса DIP ИМС или стандартного корпуса для транзисторов ТО-5. Дешевые модели обеспечивают стабильность порядка 10~* в диапазоне от О до 50°С, дорогие - порядка 10 в том же диапазоне.