Generatory - generatory LC

W drugiej części artykułu o generatorach zajmiemy się generatorami LC. Generatory sinusoidalne LC są zbudowane ze wzmacniacza odwracającego fazę objętego pętlą sprzężenia zwrotnego zawierającego obwód rezonansowy LC, którego zadaniem jest przesunięcie fazy o dalsze 180° (czyli w sumie o 360°, a więc sprzężenie jest dodatnie) tylko dla wybranej częstotliwości, określonej parametrami tego obwodu. Spełnienie warunku fazy i amplitudy można osiągnąć przez odpowiedni podział reaktancji obwodu LC lub za pomocą sprzężenia transformatorowego. Ze względu na rozwiązanie umożliwiające spełnienie warunku fazy i amplitudy rozróżnia się następujące podstawowe układy generatorów LC:

Na rysunku powyżej przedstawione są schematy blokowe podstawowych układów generatorów LC. Na rysunku a jest schemat generatora z dzieloną indukcyjnością - układ Hartleya. Na rysunku b jest schemat generatora z dzieloną pojemnością - układ Colpittsa. Na rysunku c jest schemat generatora ze sprzężeniem transformatorowym - układ Meissnera - strojony w obwodzie wyjściowym, a na rysunku d - strojony w obwodzie wejściowym.

Generatory LC są stosowane do generowania przebiegów o częstości większej od kilkudziesięciu kiloherców. Przy mniejszych częstotliwości wymagana bowiem zbyt duża wartość indukcyjności L obwodu rezonansowego. Trudno wówczas uzyskać dużą dobroć obwodu, a wymiary cewek są zbyt duże.

Na poniższym rysunku jest pokazany generator Hartleya w konfiguracji WE.

Generator ten jest zbudowany z jednostopniowego wzmacniacza pracującego w konfiguracji WE z pętlą sprzężenia zwrotnego zawierającą obwód rezonansowy L, C₁, w którym indukcyjność L jest podzielona na dwie części L₁ i L₂ (stąd jego nazwa - generator z dzieloną indukcyjnością), ze środkowym odczepem (wspólnym dla L₁ i L₂) dołączonym do masy. Obwód taki przy częstotliwości rezonansowej:

przesuwa w węźle A fazę napięcia wyjściowego wzmacniacza o 180°, zapewniając tym samym spełnienie warunku fazy, gdyż przesunięcie fazy w samym wzmacniaczu wynosi również 180°. Wartość sygnału sprzężenia zwrotnego pobieranego z indukcyjności L₁ zależy od współczynnika podziału indukcyjności L (stosunku L₁/L₂) i musi być dobrana tak, aby przy danym wzmocnieniu wzmacniacza był spełniony warunek amplitudy. Kondensator C₂ o dużej pojemności blokuje przepływ składowej stałej prądu kolektora przez obwód rezonansowy (stąd określenie układ z zasilaniem równoległym), natomiast sygnał sprzężenia zwrotnego do bazy tranzystora jest dostarczany przez C₃. Rezystory R₁, R₂ i R_E stanowią obwód polaryzacji ustalający punkt pracy tranzystora, przy czym kondensator C_E zwiera rezystor R_E dla przebiegów zmiennych. Dławik w.cz. przepuszcza składową stałą prądu, lecz blokuje przedostawanie się sygnału zmiennego z wyjścia generatora do obwodu zasilania (zwieranie sygnału przez obwód zasilania).

Na rysunku poniżej jest przedstawiony przykład innego generatora, w którym obwód rezonansowy LC₁ jest włączony bezpośrednio w obwód kolektora tranzystora T₁ pracującego w konfiguracji WB.

Układ taki jest nazywany układem z zasilaniem szeregowym, gdyż przez obwód rezonansowy przepływa również składowa stała prądu kolektora. W tym układzie sygnał sprzężenia zwrotnego, pobierany z części L₁ indukcyjności L i podawany przez kondensator C₂ na emiter tranzystora, nie jest przesunięty w fazie względem napięcia wyjściowego. Ponieważ wzmacniacz w konfiguracji WB również nie przesuwa fazy sprzężenie zwrotne jest dodatnie. Jeżeli jest spełniony równocześnie warunek amplitudy (odpowiedni podział indukcyjności L), to układ generuje na wyjściu sygnał sinusoidalny o częstotliwości równej częstotliwości rezonansowej obwodu LC₁. Kondensator C_B zwiera do masy bazę tranzystora T₁ dla sygnałów zmiennych. Pozostałe elementy układu pełnią identyczne funkcje jak w generatorze Hartleya w konfiguracji WE.

Przestrajanie generatorów Hartleya, czyli zmiana częstotliwości generowanego sygnału, może być realizowana przez zmianę indukcyjności L lub pojemności C₁ (ten sposób jest zwykle stosowany). Dla zapewnienia dużej stałości częstotliwości generowanego sygnału niezależnej od zmiany temperatury, napięcia zasilającego itp., należy stosować obwód rezonansowy o dużej dobroci Q.

Na poniższym schemacie^* przedstawiono popularną konfigurację generatora Hartleya, wykonaną z użyciem bipolarnego tranzystora n-p-n.

Obwód rezonansowy tego generatora jest przestrajany za pomocą kondensatora zmiennego. Sygnał wyjściowy otrzymywany jest w wyniku magnetycznego sprzężenia kilku zwojów drutu z cewką obwodu rezonansowego. Jest to pewien rodzaj transformatora obniżającego napięcie.

Na rysunku poniżej przedstawione są generatory Colpittsa. Na rysunku a jest przedstawiony generator Colpittsa z zasilaniem równoległym (konfiguracja WE), a na rysunku b - z zasilaniem szeregowym (konfiguracja WB).

Generatory te są bardzo podobne do układów generatorów Hartleya. Różnią się zastosowaniem dzielonej na dwie części pojemności (C₁, C₂) obwodu rezonansowego, zamiast dzielonej indukcyjności. Dlatego generatory w układzie Colpittsa są nazywane również generatorami z dzieloną pojemnością.

W układzie z rysunku a sygnał sprzężenia zwrotnego z kondensatora C₁ (węzeł A), przesunięty w fazie o 180° względem sygnału wyjściowego, jest przez kondensator C₄ podawany zwrotnie na bazę tranzystora pracującego w układzie wzmacniacza o konfiguracji WE. Natomiast w układzie z rysunku b sygnał sprzężenia zwrotnego (węzeł B), zgodny w fazie z sygnałem wyjściowym, jest podawany na emiter tranzystora pracującego w konfiguracji WB (kondensator C_B zwiera bazę do masy dla sygnałów zmiennych). W obydwu układach warunek fazy jest spełniony dla częstotliwości rezonansowej obwodu LC:

gdzie:

natomiast warunek amplitudy zależy od stosunku pojemności obwodu rezonansowego C₁/C₂. Rezystory R₁, R₂ i R_E są elementami obwodu polaryzacji stałoprądowej tranzystora, ustalającymi jego spoczynkowy punkt pracy. Częstotliwość generowanego przebiegu sinusoidalnego może być zmieniana przez zmianę wartości indukcyjności L lub jednoczesną zmianę pojemności C₁ i C₂, przy zachowaniu ich stałego stosunku.

Na poniższym schemacie^** przedstawiono popularną konfigurację generatora Colpittsa, z równoległym obwodem rezonansowym na wejściu wzmacniacza i z sygnałem dodatniego sprzężenia zwrotnego pobieranym z jego wyjścia.

Poziom zniekształceń generatora, według danych źródłowych, jest mniejszy niż - 60dB. Sygnał wyjściowy otrzymywany jest w wyniku magnetycznego sprzężenia kilku zwojów drutu z cewką obwodu rezonansowego. Jest to pewien rodzaj transformatora obniżającego napięcie.

Na poniższym rysunku przedstawione są generatory Meissnera strojone w kolektorze. Na rysunku a mamy generator z zasilaniem szeregowym, a na rysunku b - z zasilaniem równoległym.

W generatorze Meissnera dodatnie sprzężenia zwrotne, konieczne dla podtrzymania procesu generacji, uzyskuje się przez sprzężenie transformatorowe obwodu kolektora i bazy tranzystora pracującego w układzie selektywnego wzmacniacza rezonansowego LC. Kondensator C o zmiennej pojemności, umożliwiający przestrajanie obwodu rezonansowego ustalającego częstotliwość drgań, może być włączony w obwodzie kolektora (generator strojony na wyjściu). Aby był spełniony warunek fazy w przypadku tranzystora pracującego w konfiguracji WE, przesunięcie fazowe sygnału w pętli sprzężenia zwrotnego musi wynosić 180°. Takie przesunięcie uzyskuje się przez nawinięcie uzwojeń transformatora w przeciwnych kierunkach lub przez odwrócenie końcówek uzwojenia, np. pierwotnego względem wtórnego. Istnieje wiele wariantów układowych generatora Meissnera różniących się umieszczeniem i sposobem zasilania (szeregowe, równoległe) obwodu rezonansowego oraz konfiguracją pracy elementu czynnego. W obydwu układach przedstawionych powyżej tranzystor pracuje w konfiguracji WE. Rezystory R₁, R₂ i R_E ustalają jego spoczynkowy punkt pracy. Spełnienie warunku amplitudy zależy od stosunku indukcyjności L₂/L₁ transformatora sprzęgającego. Częstotliwość generowanego przebiegu jest bliska częstotliwości rezonansowej obwodu LC i może być zmieniana przez zmianę pojemności C.

^{* **} - Oba schematy pochodzą z książki: P.Horowitz, W.Hill Sztuka elektroniki. cz.1 WKŁ, Warszawa 1996