Контрольная работа по физике

Генерирование электрических колебаний

Принципы построения генераторов


Генератор является нелинейным устройством, которое преобразует, как уже сказано, энергию постоянного напряжения от источников питания в энергию колебаний. Обобщенная структурная схема генератора с внешней обратной связью приведена на рис. 16.1. Она содержит усилитель с коэффициентом усиления К, частотноизбирательную цепь положительной обратной связи с коэффициентом передачи  и цепь отрицательной обратной связи с коэффициентом передачи т.

 а) б)

 Рис. 16.1 

Функционирование генератора можно разделить на два этапа: этап возбуждения генератора и этап стационарного режима. На этапе возбуждения колебаний в генераторе появляются колебания и амплитуда их постепенно нарастает. На втором этапе амплитуда колебаний стабилизируется и генератор переходит в стационарный режим. Форма колебаний на обоих этапах показана на рис. 16.1б.

На этапе возбуждения колебаний основную роль играет цепь положительной обратной связи. Эта цепь определяет условие возбуждения колебаний, их частоту и скорость нарастания амплитуды. После возникновения колебаний их амплитуда нарастает до тех пор, пока действие нелинейной отрицательной обратной связи не граничит их рост.

Поскольку на этапе возбуждения цепь отрицательной обратной связи не работает, рассмотрим более простую схему генератора, изображенную на рис. 16.2а.


 а) б) 

 Рис. 16.2

Цепь положительной обратной связи  обычно выполняется на пассивных элементах и потому имеет потери. Затухание сигнала в цепи обратной связи компенсируются усилением, которое обеспечивает усилитель У. Рассмотрим условия, при которых в схеме, приведенной на рис. 16.2а могут возникнуть колебания.

При включении питания в схеме возникают колебания, обусловленные нестационарными процессами зарядом емкостей и индуктивностей, переходными процессами в транзисторах или ОУ. Эти колебания поступает на вход усилителя в виде сигнала  и, пройдя усилитель, появляются на его выходе в виде сигнала . С выхода усилителя через цепь положительный обратной связи вновь поступают на вход усилителя. Таким образом, генерируются электрические колебания.

16.2. Условие баланса амплитуд и фаз в автогенераторе

Известно, что если в усилителе с последовательной обратной связью (рис. 16.3) выполняется условие

 , (16.1)


 Рис. 16.3

то и усилитель превращается в автогенератор, т. е. в устройство, на выходе которого имеется переменное напряжение со стационарной (не зависящей от времени амплитудой)   конечной величины на определенной частоте при отсутствии напряжения той же частоты на входе устройства. В этом случае автогенератор можно представить в виде замкнутого кольца, состоящего из усилителя и цепи обратной связи (рис. 9.3).

 Равенство  позволяет определить условия, которые необходимы для существования генерации. Комплексные величины  и  можно записать в виде:

 ,

.  (16.2)

В (16.2)  это изменение фазы сигнала при прохождении цепи обратной связи, иначе говоря набег фазы в цепи обратной связи,  набег фазы в усилителе. С учетом (16.2) выражение (16.1) можно переписать в виде:

 .

Последнее равенство выполняется тогда и только тогда, когда:

 1) ; (16.3)

 2) , (16.4)

где п = 0, 1, 2, 3, 4...

Соотношение (16.3) называют условием баланса амплитуд, (16.4) условием баланса фаз, т. е., используя такую терминологию, можно сказать чтобы усилитель превратился в генератор, необходимо выполнение двух условий:

 1) условия баланса амплитуд;

 2) условия баланса фаз.

 Первое из условий (16.3) означает, что в стационарном режиме полное петлевое усиление на рабочей частоте генератора должно быть равно единице, т.е. модуль коэффициента усиления усилителя должен быть равен модулю обратной величины коэффициента передачи звена положительной обратной связи . Иначе говоря, насколько сигнал ослабляется при передаче через цепь обратной связи , настолько же он должен усиливаться усилителем.

 Если коэффициент усиления усилителя , то колебания в схеме генератора будут затухающими, и наоборот, при  колебания будут нарастающими, как показано на рис. 16.2б. Для точного выполнения условия баланса амплитуд в схему генератора вводится отрицательная обратная связь, посредством которой изменяется петлевое усиление . Возможны различные способы регулирования петлевого усиления: изменением коэффициента усиления усилителя, изменением коэффициента передачи цепи положительной обратной связи, изменением коэффициента передачи цепи отрицательной обратной связи. В качестве элементов, регулирующих петлевое усиление, используются или пассивные нелинейные элементы: термисторы, варисторы, позисторы, лампы накаливания и др. или транзисторы в режиме регулируемого сопротивления.

 Второе условие (16.4), называемое условием баланса фаз, означает, что полный фазовый сдвиг в замкнутом контуре генератора должен быть равен , где любое целое число. Условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний. Если условие  баланса фаз выполняется только на одной частоте, то при выполнении условия баланса амплитуд колебания будут гармоническими. Если условие баланса фаз выполняется для ряда частот, то колебания будут негармоническими.

 Кроме рассмотренных генераторов с внешней обратной связью, существуют генераторы с внутренней обратной связью, у которых положительная обратная связь обусловлена устройством используемого активного элемента. К таким элементам относятся некоторые типы полупроводниковых диодов, имеющих участки с отрицательным сопротивлением: динисторы, тиристоры, туннельные диоды, а также электронные лампы с вторичной эмиссией. В таких генераторах отрицательное сопротивление активного элемента используется для компенсации положительного сопротивления потерь в пассивных элементах. Эти генераторы могут использоваться как при синусоидальной форме выходного напряжения, так и при негармонических выходных напряжениях. Для формирования гармонических напряжений в таких генераторах обычно используются различные резонансные контуры.

Арсенид галлия в производстве ИМС

Арсенид галлия широко применялся в производстве таких приборов микроэлектроники, как диоды Ганна, светодиоды и приемники излучений, лавинно-пролетные диоды, транзисторы для СВЧ-диапазона. Длительное время применение GaAs для производства ИМС, в отличие от кремния, сдерживалось рядом технологических проблем, среди которых следует отметить:

диссоциацию вещества c выделением As при температурах более 600 °С при нормальных давлениях;

отсутствие совместимых диэлектрических пленок на GaAs;

несовместимость с кремниевой технологией по маскирующим покрытиям и условиям проведения диффузии;

повышенная дефектность структуры как эпитаксиальных пленок, так и массивных кристаллов;

технологическая сложность и высокая стоимость, в сравнении с кремнием, производства кристаллов.

Развитие технологии производства кремниевых ИМС, освоение процессов ионной имплантации, плазменного осаждения пленок, сухого травления, лучевых методов литографии позволили в 90-х годах прошедшего века перейти к производству арсенидо-галлиевых ИМС.

Для производства ИМС GaAs выпускается в виде монокристаллов, легированных и полуизолирующих. Монокристаллы электронного типа проводимости легированы теллуром или оловом. В дырочном GaAs применяют в качестве примеси цинк, а в полуизолирующем GaAs — хром, железо. Диаметр монокристаллов в 3–4 раза уступает кремниевым слиткам и длина составляет (3–5) диаметров.

Донорами для GaAs являются атомы элементов шестой группы таблицы Менделеева, а акцепторами — второй группы.

Преимущественное распространение GaAs получил в производстве ИМС с ограниченным числом слоев в структуре — что соответствует структурам с полевыми приборами. Высокая подвижность электронов в GaAs позволяет функционировать приборам в радиочастотном СВЧ-диапазоне. Обсуждение специфичности технологии производства приборов и ИМС на основе GaAs выходит за пределы пособия.

Обратные связи в усилителях это подача части выходного сигнала на вход усилителя; напряжение обратной связи может зависеть или от выходного напряжения , или от тока в нагрузке или от выходного напряжения и тока в нагрузке вместе

Мультивибратор состоит из двух усилителей, причем выходное напряжение левого усилителя снимается с коллектора транзистора VTl и передается на вход правого усилителя, а выходное напряжение этого усилителя снимается с коллектора VТ2 и подается на вход левого усилителя (на участок базаэмиттер транзистора VTl).

Транзисторные автогенераторы гармонических колебаний  генераторы с индуктивной связью Рассмотрим две схемы транзисторных автогенераторов гармонических колебаний томсоновского типа с резонансными контурами. Резонансная частота контура определяет частоту колебаний автогенератора.


Импульсные и цифровые устройства