Расчет элементов схемы генератора. Рассмотрим схему, изображенную на рис

 

Рис. 3

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 3. В этой схеме усилительный элемент (ОУ) охвачен положительной и отрицательной ОС.

ОУ в совокупности с ООС, которая представляет собой делитель, составленный из резисторов R3 и R4, является неинвертирующим усилителем. Коэффициент усиления усилителя, при котором возбуждаются колебания, должен быть не меньше трех. Аналитическое выражение для рассчета коэффициента усиления имеет следующий вид: Ku = R3/R4 + 1. Таким образом, для устойчивой генерации, сопротивление резистора R3 должно быть больше сопротивления R4 как минимум в два раза.

ПОС является уже рассмотренный мост Вина (R1, R2, C1, C2).

После возбуждения, за счет нелинейности амплитудной характеристики ОУ коэффициент усиления усилителя будет равен трем, а петлевое усиление единице, что обеспечит генерацию сигнала заданной частота с амплитудой, которая будет равна выходному напряжению в режиме насыщения ОУ.

Рассчитаем элементы схемы:

 

f_г = 10кГц тогда RC = 1/(2*Pi*f) , где R=R1=R2, а C=C1=C2.

 

R выбираем так, чтобы не перегрузить ОУ по входному току, а ОУ, в свою очередь, должен обладать большим входным и малым выходным сопротивлениями, а также достаточно большим значением входного тока. В качестве операционного усилителя выбираю К153УД1Б.

Его электрические параметры:

Коэффициент усиления: К > 10000

Входной ток: Iвх < 2000 нА

Сопротивление нагрузки: Rн > 2 кОм

Входное сопротивление: Rвх > 0,2 мОм

Выходное сопротивление: Rвых < 200 Ом

Выходное напряжение: Uвых 9 В

Задаемся сопротивлением R:

 

R = 47 кОм, тогда С = 1/(2*Pi*10000*47000) = пФ.

 

Таким образом:

 

R1 = R2 = 47 кОм

С1 = C2 = 340 пФ

 

Сопротивления R3 и R4 выбираем таким образом, чтобы

 

R3/R4 > 2 и R3+R4 >> Rвых ОУ

 

тогда получим:

 

R3 = 150 кОм,

R4 = 70 кОм

 

Схема (рис. 3.) с рассчитанными выше номинальными параметрами элементов, будет генерировать синусоидальные колебания с частотой 10 кГц и выходным напряжением порядка 9 В.

Для согласования с нагрузкой Rн = 75Ом на выходе необходимо поставить эмиттерный повторитель, который должен удовлетворять следующим требованиям: обладать входным сопротивлением намного большим выходного сопротивления генератора, и малым, намного меньшим сопротивления нагрузки, выходным сопротивлением.

Рис. 4

 

Выходное сопротивление генератора – это сопротивление неинвертирующего усилителя (ОУ, R3, R4, где R3 и R4 - ООС), которое приближенно находится по формуле:

 

,

Рис. 5

 

Рис. 6

 

Где Rвых – выходное сопротивление ОУ,

Кu – коэффициент усиления усилителя,

g - глубина ООС.

= 200 Ом.

 

В качестве повторителя, который соответствует всем перечисленным требованиям, подходит ОУ К153УД1Б включенный по схеме рис. 4.

Коэффициент передачи повторителя К = 1.

Входное сопротивление

 

,

 

Где К – коэффициент усиления ОУ,

Rвх – входное сопротивление ОУ,

Rсф – входное сопротивление ОУ по синфазному сигналу, измеренное на входе (+) относительно земли или общей точки. На низких частотах это сопротивление составляет примерно 100 МОм.

 

вх.п.= Ом = 100 МОм.

 

Выходное сопротивление

 

,

 

Где Rвых – выходное сопротивление ОУ.

 

Ом.

Таким образом:

 

вх.п. = 100 МОм >> = 200 Ом, и = 0.02 Ом << Rн = 75 Ом,

 

эмиттерный повторитель на ОУ К153УД1Б полностью соответствует предъявляемым ему требованиям, а окончательная схема генератора приведена на рис. 5.

Разделительные емкости С3, С4 выбираются таким образом, чтобы их коэффициенты передачи Кп.р. были не меньше . Это означает, что на каждом из разделительных конденсаторов должно выделяться не больше чем полезной мощности, поступившей от источника.

 

Кп.р.= ,

 

Где f_г – частота генерируемых колебаний,

Ср – емкость разделительного конденсатора. В нашем случае – это С3 и С4,

R – полезное сопротивление, на котором должна выделяться основная часть поступившего напряжения. В нашем случае R - это вх.п. и Rн.

Приняв Кп.р. = 0.99, определим значение емкостей:

 

C3 = = 0,032 пФ,

С4 = = 4.32 нФ.

Итак, окончательные значения элементов схемы (рис. 5.):

 

DA1, DA2 – операционные усилители серии К153УД1Б,

R1 = R2 = 47 кОм,

R3 = 150 кОм,

R4 = 70 кОм,

С1 = C2 = 340 пФ,

C3 = 0,032 пФ,

С4 = 4.32 нФ.