RC-АВТОГЕНЕРАТОР НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ МАНИПУЛИРОВАННЫХ ПО ЧАСТОТЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель «RC-автогенератор на операционном усилителе (ОУ) манипулированных по частоте гармонических колебаний» (далее для краткости изложения «Заявленный генератор») относится к области радиотехники и может быть использована в радиопередающих устройствах, в измерительной технике в качестве источника низкочастотных гармонических частотно-манипулированных колебаний.
кв
д
кв
д
пр1
кв
д
пр2
кв
д
Известна структура распространенного интерполяционного (гетеродинного) устройства реализации частотной манипуляции. Структура известного интерполяционного (гетеродинного) устройства реализации частотной манипуляции приведена на фиг. 1 [1, стр. 438]. Устройство содержит кварцевый задающий генератор (21) с частотой f, диапазонный, так называемый интерполяционный, генератор (22) с частотой генерации f, смеситель (23) (преобразователь частоты), высокочастотный избирательный фильтр (24), частотный манипулятор (25), источник телеграфного сигнала (26). Колебания с частотами f и f подаются на смеситель (23), работающий в нелинейном режиме. В результате в спектре тока смесителя образуются, в частности, комбинационные компоненты вида f=f-f и f=f+f. Одна из частот преобразования выделяется фильтром (24) и поступает на выход устройства. Частотная манипуляция осуществляется с помощью реактивной лампы (или реактивного транзистора, или диода), которая (который) включается параллельно контуру диапазонного задающего генератора [1, стр. 439]. Необходимо отметить, что генераторы (21) и (22), избирательный фильтр (24) содержат индуктивности, поэтому устройство (фиг. 1) совершенно не привлекательно для интегральной реализации. Кроме того, «управляется реактивная лампа специальным электронным манипулятором». Структура специального электронного манипулятора представлена на фиг. 2 [1, стр. 439]. Он является энергоемким, он не может быть реализован в интегральном исполнении.
Наиболее близким к Заявленному генератору является известный «RC-генератор низкочастотных гармонических колебаний на операционном усилителе с фазосдвигающей RC-цепью» (фиг. 3) [2, стр. 123]. В качестве фазосдвигающей цепочки положительной обратной связи здесь использован трехзвенный RC-фильтр.
Недостатком этого известного RC-автогенератора низкочастотных гармонических колебаний на операционном усилителе с трехзвенным RC-фильтром является то, что он не может генерировать манипулированные по частоте электрические колебания.
Целью заявленного технического решения является расширение функциональных возможностей RC-автогенератора низкочастотных гармонических колебаний на операционном усилителе с трехзвенным RC-фильтром путем совершенствования его конструкции.
Достигаемым техническим результатом Заявленного генератора является расширение функциональных возможностей RC-автогенератора низкочастотных гармонических колебаний на операционном усилителе с трехзвенным RC-фильтром, заключающееся в генерации низкочастотных гармонических колебаний, манипулированных по частоте.
Структурная схема Заявленного генератора, приведенная на фиг. 4, содержит: операционный усилитель (ОУ) (19), первый источник питания (18), второй источник питания (20), равные по величине постоянной емкости первый конденсатор (1), второй конденсатор (2), третий конденсатор (3), равные по величине постоянных сопротивлений первый резистор (15), второй резистор (16), третий резистор (17), резисторы постоянных сопротивлений: четвертый резистор (4) и пятый резистор (5), при этом первый вывод пятого резистора (5) соединен с выходом ОУ (19), второй вывод пятого резистора (5) соединен с первым выводом четвертого резистора (4) и инвертирующим входом ОУ, первый вывод первого конденсатора (1) соединен с выходом ОУ (19), второй вывод пятого резистора (5) соединен с первым выводом четвертого резистора (4) и инвертирующим входом ОУ (19), первый вывод первого конденсатора (1) соединен с выходом ОУ (19), второй вывод первого конденсатора (1) соединен с первым выводом второго конденсатора (2) и первым выводом первого резистора (15), второй вывод второго конденсатора (2) соединен с первым выводом третьего конденсатора (3) и первым выводом второго резистора (3), второй вывод четвертого резистора соединен с первым выводом третьего резистора (17) и вторым выводом третьего конденсатора (3). Заявленный генератор отличается тем, что вторые выводы первого (15), второго (16) и третьего резисторов (17) отсоединены от общей шины источника питания устройства, введены первый МОП транзистор (12) с индуцированным каналом n-типа Q1, второй МОП транзистор (13) с индуцированным каналом n-типа Q2, третий МОП транзистор (13) с индуцированным каналом n-типа Q3, генератор прямоугольных импульсов VI (21), равные по величине постоянных сопротивлений резисторы: шестой резистор (6), седьмой резистор (7) и восьмой резистор (8), которые исключают короткое замыкание источника питания VCC (18) при открытом состоянии первого, второго и третьего nМОП транзисторов Q1, Q2 и Q3, равные по величине постоянных сопротивлений резисторы: девятый резистор (9), десятый резистор (10), одиннадцатый резистор (11), при этом первые выводы девятого, десятого, одиннадцатого резисторов (9), (10), (11) соединены с вторыми выводами первого, второго, третьего резисторов (1), (2), (3) соответственно, первые выводы шестого, седьмого и восьмого резисторов (6), (7), (8) соединены с потенциальным выводом источника питания (18), вторые выводы шестого, седьмого и восьмого резисторов (6), (7), (8) соединены со стоками первого, второго и третьего nМОП транзисторов (12), (13), (14) соответственно, а также с первыми выводами одиннадцатого, десятого и девятого резисторов (11), (10), (9) соответственно, вторые выводы одиннадцатого, десятого и девятого резисторов (11), (10), (9), истоки и подложки первого, второго, третьего nМОП-транзисторов соединены с общей шиной источника питания, затворы первого, второго, третьего nМОП-транзисторов (12), (13), (14) соединены с потенциальным выходом генератора прямоугольных импульсов VI.
Для упрощения изложения узлы соединений резисторов R1 (15) и R9 (9), R2 (16) и R10 (10), R3 (17) и R11 (11) обозначены буквами «а», «b» и «с» соответственно и без кавычек.
Заявленный генератор работает следующим образом.
1
2
3
1
2
3
1
1
2
2
3
3
3
4
5
3
5
6
Введем обозначения: R=R1 (15)+R9 (9), R=R2 (16)+R10 (10), R=R3 (17)+R11 (11), C=C1 (1), C=C2 (2), C=С3 (3). «Трехзвенный RC-фильтр, состоящий из звеньев RC, RC, RC, является цепью положительной обратной связи. Он поворачивает фазу выходного колебания на 180°. Количество звеньев выбрано равным трем, так как каждым звеном просто обеспечить фазовый сдвиг 60°. Для улучшения формы генерируемых колебаний, что достигается при уменьшении нелинейных искажений, введена отрицательная обратная связь, образованная резисторами R, R, R» (в нашем случае резисторами R (17)+R11 (11), R4 (4), R5 (5) соответственно). «Выход цепи положительной обратной связи подключен к инвертирующему входу операционного усилителя. Поэтому в замкнутой системе, состоящей из операционного усилителя и цепи положительной обратной связи, фазовый сдвиг будет равен 2π, т.е. баланс фаз… в ней выполняется. Для обеспечения режима генерации необходимо выполнение также баланса амплитуд» [2, стр. 124]. На фиг. 5. (в литературе [2, стр. 125, рис. 4.6]) приведены «зависимости модуля и коэффициента передачи трехзвенной цепи положительной ОС от частоты». Из фиг. 5 следует, «что генерация колебаний в анализируемом RC-генераторе наступит при коэффициенте усиления ОУ, равном 29» [2, стр. 124]. «Операционные усилители обладают очень большим коэффициентом усиления (порядка 10…10)» [4, стр. 352]. Поэтому баланс амплитуд в анализируемом генераторе выполняется.
«Частота генерации для схемы с идеальным ОУ определяется зависимостью
где С - емкость конденсатов фильтра; R - сопротивление резисторов фильтра.
Как следует из этой формулы, частота генерации зависит только от параметров цепи положительной обратной связи R и С (т.е. внешних элементов)» [2. стр. 125].
vT
зап
0
При напряжении на выходе генератора прямоугольных импульсов (21), равном уровню логического нуля, nМОП транзистор Q1 (14) с индуцированным каналом n-типа заперт, поэтому сопротивление канала nМОП транзистора с индуцированным каналом стремится к бесконечности «(R=R∞)» [3, стр. 410]. Поэтому эквивалентное сопротивление участка цепи между узлами «а», «общая шина устройства питания» практически определяется величиной сопротивления девятого резистора (9). Аналогично эквивалентные сопротивления участков цепи между узлами «b», «общая шина устройства питания» и между узлами «с», «общая шина устройства питания» практически определяются величинами сопротивлений десятого и одиннадцатого резисторов (10), (11) соответственно. В этом случае структурная схема Заявленного генератора (фиг. 4) вырождается в структурную схему (фиг. 3) классического RC-автогенератора с трехзвенной RC-цепью. Обозначим частоту генерации гармонических низкочастотных колебаний при напряжении на выходе генератора прямоугольных импульсов (21), равном уровню логического нуля, через f,
В этом случае первое звено RC-фильтра поворачивает фазу сигнала, поступающего с выхода управляющего генератора (21) на вход первого звена RC-фильтра (фиг. 6, а) на угол ВСА=J0 (фиг. 6, б). Аналогично второе и третье звенья RC-фильтра также фазу колебания, поступающего на их входы, поворачивают на угол J0. В результате результирующий фазовый сдвиг сигнала при прохождении через трехзвенный RC-фильтр на частоте генерации (1) составляет 180° (фиг. 5).
vT
нас
При скачкообразном изменении, перепаде 01 управляющего напряжения генератора прямоугольных импульсов (21) сопротивление канала МОП транзистора скачком уменьшается, стремится к нулю «(R=R0)» [3, стр. 410].
ген
0
1
0
1
Сопротивление находящегося в режиме насыщения nМОП транзистора Q1 (14) шунтирует сопротивление девятого резистора (9). Поэтому эквивалентное сопротивление участка цепи между узлами «а», «общая шина устройства питания», скачком падает, стремится к нулю. Эквивалентная схема первого (в общем случае i-го звена фильтра) принимает вид фиг. 6, в. Резкое уменьшение активного компонента звена фильтра приводит к резкому уменьшению напряжения на активном сопротивлении звена фильтра, вектор А1В1< вектора АВ, поэтому угол фазового сдвига одного звена увеличивается, угол С1А1В1 скачком становится больше угла CAB (фиг. 6, б и фиг. 6, г). Аналогично эквивалентные сопротивления участков цепи между узлами «b», «общая шина устройства питания» и между узлами «с», «общая шина устройства питания» также стремятся к нулю. Итак, при скачкообразном изменении, перепаде 01 управляющего напряжения генератора (21) сопротивления резисторов звеньев RC-цепи скачком уменьшаются и практически определяются величинами сопротивлений первого, второго и третьего резисторов (15), (16) и (17) соответственно. В итоге, трехзвенный фильтр сдвигает фазу на угол ψ, превышающий π. Поэтому колебания с частотой f=f прекращаются. Из фиг. 5 следует, что уменьшение фазового сдвига имеет место только при увеличении частоты. Фазовый сдвиг, равный 180°, наступает на частоте f, которая превышает значение частоты f, баланс фаз выполняется на более высокой частоте f, поэтому
1
0
0
1
при этом f>f. Изменение частоты f на частоту f происходит без разрыва фазы колебания.
1
0
1
0
1
0
Таким образом, при скачкообразных изменениях, перепадах 01 и 10 управляющего напряжения генерируется без разрыва фазы сигнала последовательность манипулированных по частоте низкочастотных гармонических колебаний с частотами f и f соответственно, при это f>f, генерация гармонических сигналов с частотами f и f обусловлена резкими изменениями сопротивлений каналов nМОП транзисторов, приводящими к значительному изменению сопротивлений звеньев трехзвенного RC-фильтра (цепи положительной обратной связи автогенератора), а значит, и величины фазового сдвига сигнала с выхода операционного усилителя на его инвертирующий вход при поступлении каждого из перепадов 01 и 10 соответственно напряжения управляющего генератора на затворы nМОП транзисторов с индуцированными каналами.
ген
ген
Проведено моделирование Заявленного генератора. Использованы: nМОП-транзисторы Q1 (14), Q2(13), Q3(12) c индуцированными каналами с параметрами канала: 1 (длина канала) 0.18u, w (ширина канала) 3.0u; генератор прямоугольных управляющих импульсов V1 (21) с параметрами: амплитуда импульсов 3V, частота следования импульсов 25 Hz; операционный усилитель OPAMP_5T_VIRTUAL, источники питания операционного усилителя: U1 VCC 5V, VSS-5V; резисторы и конденсаторы по количеству и номиналам согласно фиг. 4. На фиг. 7 приведены прямоугольный управляющий сигнал генератора VI (21) и выходной сигнал RC-автогенератора на операционном усилителе манипулированных по частоте гармонических колебаний. Выходной сигнал RC-автогенератора манипулирован по частоте. При напряжении на выходе управляющего генератора, равном напряжению логического нуля, частота генерации f=768 Гц. При напряжении на выходе управляющего генератора, равном напряжению логической единицы, частота генерации f=1872 Гц. Частотная манипуляция генерируемых низкочастотных гармонических компонент выходного сигнала осуществляется без разрыва фазы.
Заявленный RC-автогенератор на операционном усилителе манипулированных по частоте гармонических колебаний реализуем в интегральном исполнении, расширяет функциональные возможности RC-автогенератора низкочастотных гармонических колебаний на операционном усилителе с трехзвенным RC-фильтром. Расширение функциональных возможностей Заявленного генератора заключается в генерации низкочастотных гармонических колебаний, манипулированных по частоте.
Литература
1. Пахлавян А.Н. Радиопередающие устройства. - М.: Связь, 1967. - 567 с.
2. Мушта А.И. Информационные технологии анализа аналоговых электронных устройств в САПР OrCAD. - Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. - 215 с.
3. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. Под ред. О.П. Глудкина. - М.: Радио и связь. 1996. - 768 с.
4. Новожилов О.П. Электротехника и электроника. Учебник. - М.: Гардарики. 2008. - 654 с.