| zadání: | Navrhnìte oscilátor podle obrázku tak, aby jeho vlastní kmitoèet byl 10kHz.
Práce by mìla obsahovat tyto èásti: |
|
| 1) | návrh pracovního bodu a jeho nastavení (výpoèet velikostí jednotlivých odporù) | |
| 2) | odvození podmínek oscilací (Im{B(jw0)}, kde B je pøenos rozpojené zpìtnovazební smyèky a w0 úhlová frekvence) a z nich vztah pro kmitoèet oscilací | |
| 3) | návrh velikostí ostatních souèástek | |
| 4) | kontrola funkènosti oscilátoru a jeho parametrù (kmitoèet oscilací) pomocí pøechodové analýzy programu SPICE | |
| 5) | rozbor a porovnání dosažených výsledkù s výpoètem |
|
| Pøi návrhu uvažujte zjednodušené náhradní schema tranzistoru ve tvaru Y. Typ tranzistoru volte napø. BC549B. Velikost napájecího napìtí volte 15V. Uvažujte, že blokovací kondenzátory C1, C3, C4 jdou s kapacitou k nekoneènu. |
po pøekreslení vidíme klasický Colpittsùv L-C oscilátor:
| Modøe jsou vyznaèeny blokovací kondenzátory, které nebudeme dále uvažovat a èervenì jsou oèíslovány uzly použité v programu SPICE. | |
| popis zapojení: | Oscilátor se skládá z jednotranzistorového zesilovaèe se spoleèným emitorem (SE) s
mùstkovou stabilizací pracovního bodu a pøeblokovaným emitorovým odporem. Z kolektoru do báze je zavedena kladná støídavá
zpìtná vazba (KZV). Ta je provedena jako kmitoètovì závislá pomocí rezonanèního L-C obvodu. Po pøipojení napájecího
napìtí vlivem nabíjení kondenzátorù dojde k vychýlení pracovního bodu z rovnovážné polohy. I kdyby ne, tak na
vstupu tranzistoru je vždy nìjaké malé šumové napìtí ke kterému se pøidá vlastní šum tranzistoru. Šum má široké
spojité spektrum frekvencí. Tento šum se tranzistorem zesílí a pošle zkrz selektivní filtr zpìt na vstup. Ta
složka spektra, na níž je rezonanèní obvod naladìn, projde nejsnáze, nejménì se utlumí. A opìt se zesiluje a
filtruje stále dokola. Amplituda kmitù zpoèátku roste (zhruba exponenciálnì). Ovšem pøi velkém rozkmitu se
zaène znaènì posouvat pracovní bod do oblastí s menším zesílením. Tím nastává mìkké omezení amplitudy (ta nemùže
pøesáhnout napájecí napìtí) a ustálení. Dále již zesilovaè dodává na vstup jen napìtí potøebné k udržení tohoto
stavu. Výstupní signál odebíráme z kolektoru obvykle pøes další vazební kondenzátor.
V každém oscilátoru musí být splnìna amplitudová podmínka |Bu(w0)*Au(w0)| = 1 (modul pøenosu otevøené smyèky KZV * pøenos zesilovaèe bez KZV = 1) a zároveò fázová podmínka fi(B)+fi(A) = k*360° k = 0,1,2,...(fázový posuv smyèky KZV + fázový posuv zesilovaèe = k-násobek 360°) Zde je zesilovaè SE s fázovým posuvem fi(A) = 180°. O dalších 180° ho musí otoèit smyèka KZV. |
| 1) návrh pracovního bodu: | Kvùli úèinné SS stabilizaci se volí velký úbytek na emitorovém odporu R2
(až 1/2 napájecího napìtí). Zvolil jsem: UR2 = 7V Uce = 4V UR1 = 4V (maximální rozkmit výstupního napìtí je 11V +-4V) Ic = 10.29mA (malý výstupní odpor, hezké hodnoty odporù), tedy R2 = Ic*UR2 = 0,01029*7 = 680R R1 = Ic*UR1 = 0,01029*4 = 388R pøi SS zesílení 200 bude odbìr báze asi 50uA. Dìliè musí být dostateènì tvrdý, takže pøíèný proud dìlièem zvolíme Id = 500uA. Napìtí na bázi Ub je UR2+Ube = 7 + 0.7 = 7.7V R3 = Id*(Ucc-Ub) = 0,0005*(15-7.7) = 14600R R4 = Id*Ub = 0,0005*7.7 = 15400R, podle SPICE jsem odhadem dokorigoval na 16000R (odtok èásti Id do báze) |
zde je výstup ze SPICE:****************************************************************************** NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE ( 1) 15.0000 ( 2) 11.0320 ( 3) 6.9676 ( 4) 7.6904 ( 5) 0.0000 ( 6) 0.0000 |
| 2) podmínky oscilací: | Napøed si nakreslíme náhradní obvod pro støídavé velièiny: |
| dále zjednodušíme na impedanèní Pí-èlánek: |
| jehož pøenos (pøenos rozpojené smyèky KZV) se dá vyjádøit: |
| pro odvození kmitoèu oscilací se ale staèí podívat na pøekreslené schema v nìmž je jasnì vidìt paralelní rezonanèní obvod: |
| 4) kontrola: | zde je výsledek èasové analýzy programu SPICE: |
| Modøe je vyznaèen prùbìh výstupního napìtí
na kolektoru a èervenì prùbìh napìtí na bázi.
Perioda je 99.369us, což odpovídá kmitoètu 10063Hz. Dále je zde spektrální analýza výstupního napìtí. Spektrum obsahuje vyšší harmonické, což zpùsobuje zkreslení èasového prùbìhu. Je to dùsledek nelinearit tranzistoru (pracuje s velkým signálem) a smyèky KZV. U L-C oscilátorù se udává zkreslení 1-10%. |
| 5) závìr: | Pro porovnání jsem dané zapojení zbastlil z šuplíkových souèástek (hodnoty neodpovídají pøesnì zadání): |
| Mìøení kmitoètu (použita cívka L1=1.68mH a C2=C5=470nF): |
| a èasový prùbìh na osciloskopu: |
| a nakonec výpis celého programu (oscil.cir, 1019B) pro SPICE: |
L-C oscilator EO, Ct 9:15 2002 ZS Martin Rehak * * ,--1--------1 +15V * | | * R3 R1 * | | * 6-C4-----2------2-* Output * | | | | * | | C | * L1 4-7B C5 * | | E | * | | | | * 5-C3--4 3---, | * | | | | | * C2 R4 R2 C1 | * | | | | | * 0-----0--0---0--0-0 GND .lib europe.lib Vcc 1 0 15V * _____/~~~~~~~~~~~~\_____ *Vkick 4 7 PWL(0 0V 5ns 1V 20ns 1V 25ns 0) * nastaveni SS pracovniho bodu Ure=7V, Uce=4V, Urc=4V, Ic=10.3mA R1 1 2 388 R2 3 0 680 R3 1 4 14.6k R4 4 0 16.0k * blokovaky C1 3 0 500uF C3 5 4 100uF C4 2 6 100uF * rezonator f0=1/( 2*Pi* sqrt( L1* (C2*C5)/(C2+C5) )) volim C2=C5 L1 6 5 1mH * XL1=62ohm C2 5 0 506.606nF * svod C2 - jinak mel Spajz kecy na "floating node 5, 6" RC2 5 0 1T C5 2 0 506.606nF *XC2=XC5=31.4ohm * c b e Q1 2 4 3 BC549C .OP .PROBE * od 1ms do 2ms s krokem 1ns .TRAN 1ns 2ms 1.5ms *.TRAN 1ns 5ms |