Archiwum - Generator z filtrem zmiennych stanu

Archiwum - Generator z filtrem zmiennych stanu

Generatory sygnalow sinusoidalnych maja mnostwo zastosowan. Samo wyliczenie ich zastosowan to osobny temat.

Generatory z obwodem rezonansowym LC powszechnie stosuje sie przy czestotliwosciach wyzszych niz 100 kHz a wiec w zakresie czestotliwosci radiowych. W zakresie czestotliwosci gigaherzowych obwodem rezonansowym sa odcinki lini. Gdy wymagana jest wysoka stabilnosc mozemy dodac sprzezony rezonator ceramiczny.
Najbardziej stabilny wsrod generatorow LC jest uklad czeskiego odkrywcy Vackara. Zoptymalizowany uklad Vackara z obwodem LC o duzej dobroci przy czestotliwosci 5-10Mhz ma szumy tylko troche wieksze niz optymalny generator z rezonatorem kwarcowym czyli bardzo male.
Tranzystory w generatorach LC pracuja w klasie B lub C. W samostabilizujacym sie generatorze wzrostowi amplitudy drgan towarzyszy spadek wzmocnienia tranzystora wchodzacego w glebsza klase B lub C. Elementem filtrujacym znieksztalcenia nieliniowe czyli harmoniczne jest sam obwod LC. Dobroc obwodu rezonansowego LC moze przekraczac 100 i wiecej razy.
Generatory LC w realizacjach scalonych przy umiarkowanych czestotliwosciach ( ca ponizej 2 Ghz ) najczesciej wykonuje sie w postaci symetrycznej na dwoch tranzystorach co ma sporo zalet. W szczegolnosci malo krytyczne sa polaczenia z zewnetrznym obwodem rezonansowym LC, sa kompatybilne z ukladami mnozacymi jako mieszaczami i mala jest emisja zaklocen.
W zastosowaniach "radiowych" duza czesc generatorow jest przestrajana diodami pojemnosciowymi, ktore sa elementem stratnym obnizajacym dobroc obwodu LC co trzeba brac pod uwage.  W zakresie mikrofalowym uzywa w przestrajanych w szerokim zakresie oscylatorach i filtrach rezonatorow YIG (Yttrium Iron Garnet) w postaci kuleczki o srednicy ca 0.5 mm. Pole magnetyczne sterowanego pradem solenoidu zmienia czestotliwosc rezonatora YIG.

W sinusoidalnych generatorach RC ( czestotliwosci zdecydowanie ponizej 100 kHz a czesto do "akustycznych" 20 kHz ) przestrajanych recznie praktycznie stosuje sie tylko mostek Wiena.  Jest on zdecydowanie lepszy i wygodniejszy w zastosowaniu niz mostek podwojne T i generatory RC z przesuwnikami fazowymi. Dobra analize teoretyczna generatora z mostkiem Wiena zawiera "Analog Integrated Circuit", Miklos Herpy, Akademia Kiado 1980, strony 327-333. Per analogia do dobroci obwodu rezonansowego LC, dobroc mostka Wiena wynosi ca 1/3 i jest wiec nedzna. W ukladach generatorow RC z powodu znikomej dobroci nie wystepuje filtracja harmonicznych sygnalu i w wymagajacych zastosowaniach uklad musi byc ultraliniowy.
Gdy generator z mostkiem Wiena przestrajamy recznie potencjometrem lub kondensatorem o zmiennej pojemnosci problemem jest tylko uklad stabilizacji amplitudy drgan.
Gdy opornosci lub pojemnosci mostka chcemy automatycznie przelaczac elektronicznym przelacznikiem czyli tranzytorem JFet lub kluczem CMOS uklad jest bardzo niewygodny bowiem elementy RC gornej szeregowej galezi mostka maja obie koncowki pod potencjalem zmiennym co bardzo utrudnia konstrukcje klucza o bardzo malych znieksztalceniach i mocno pogarsza jego parametry. O wiele lepszy jest generator z idea mostka Wiena na dwoch wzmacniaczach operacyjnych pracujacych w konfiguracji odwracajacej. Jeden wzmacniacz ma w ujemnym sprzezeniu zwrotnym mostek Wiena a drugi ma wzmocnienie -2. Podwajajac wartosci elementow RC  galezi szeregowej wzmacniacz z mostkiem Wiena ma przy czestotliwosci oscylacji wzmocnienie -1 i drugi wzmacniacz tez ma wzmocnienie -1. Przelaczane elementy RC maja jedna koncowke na poziomie virtual ground ujemnego wejscia wzmacniacza co jest ogromna zaleta. Zarazem na wyjsciach wzmacniaczy sygnaly o tej samej amplitudzie sa w przeciwfazie czyli jest dostepny sygnal symetryczny. 
Dodac nalezy ze wzmacniacze wykonane w technologi BiFet  maja w konfiguracji odwracajacej duzo mniejsze znieksztalcenia niz w konfiguracji nieodwracajacej co wynika ze slabego i spadajacego  tlumienia sygnalu wspolnego CMRR w funkcji czestotliwosci.

Uklad stabilizacji amplitudy generatora RC zwykle sklada sie z prostownika idealnego na wzmacniaczu operacyjnym, filtru RC tetnien wyprostowanego sygnalu, regulatora PI na wzmacniaczu operacyjnym i elementu wykonawczego, ktorym jest tranzystor JFet o zmienianej napieciem bramki opornosci Rds. Tetnienia napiecia bramki i opornosci tranzystora JFet wywoluja znieksztalcenia nieliniowe. Jesli pozadamy malych znieksztalcen nieliniowych to czas stabilizacji amplitudy generatora po zmianie wartosci elementow RC jest koszmarnie dlugi co slychac w charakterystycznym tlumionym dzwieku Lo,Lo, Lo. Wczesniej do stabilizacji generatorow stosowano miniaturowa zarowke, ktorej sygnal podgrzewal wlokno zmieniajac jego opornosc ( jako element sprzezenia zwrotnego autoamtycznie wyznaczajacego wzmocnienie ) co polowicznie stabilizowalo amplitude drgan.

W opisanym ukladzie stabilizacja amplitudy drgan  jest bardzo szybka a generowany sygnal jest probkowany w szczycie sinusoidy i zbedne jest wygladzanie tetnien filtrem bowiem tetnien nie ma w ogole.  Aby zmniejszyc wymagania na uklad Sample - Hold i zbudowac go z tanich i dostepnych elementow zastosowano przed nim szczytowy prostownik aktywny.
Sam generator sygnalu sinusoidalnego wykonano jako filtr zmiennych stanu o nieskonczonej dobroci, w stanie ustalonym. Filtry zmiennych stanu maja sporo zalet i rowniez w tym zastosowaniu zdecydowanie goruja nad mostkiem Wiena. Uklad stabilizacji amplitudy nie wnosi praktycznie zadnych znieksztalcen.
Jako wzmacniacze operacyjne filtru zmiennych stanu zastosowano uklady BiFet TL072 lub bipolarne NE5532. Znieksztalcenia ukladow TL072 rosna z czestotliwoscia i z obciazeniem wyjscia ale obserwacja ich znieksztalcen  jest w ogole mozliwa. Tak samo zachowuja sie uklady NE5532 ale ich znieksztalcenia nieliniowe sa znacznie mniejsze i niekiedy tona w szumach. Ich mankamentem jest klopotliwy duzy prad polaryzacji wejscia ( musi byc skompensowany z uwzglednieniem dryftu temperaturowego  ) i to ze szumy pradowe dominuja nad napieciowym juz powyzej rezystancji zrodla ca 3-5 KOhm.
Calkiem dobre rezultaty daja tez popularne wzmacniacze operacyjne LM101 a dokladniej ich krajowe odpowiedniki w konfiguracji ze sprzezeniem wprzod.