Halbleiterbauelemente - Oszillatoren
Ein Oszillator ist eine elektronische Schaltung, die sinusförmige Schwingungen erzeugt, die als bekannt sind sinusoidal oscillator. Es wandelt Eingangsenergie von einer Gleichstromquelle in Wechselstromausgangsenergie mit periodischer Wellenform bei einer bestimmten Frequenz und bekannter Amplitude um. Das charakteristische Merkmal des Oszillators ist, dass er seinen Wechselstromausgang beibehält.
Die folgende Abbildung zeigt einen Verstärker mit Rückkopplungssignal, auch wenn kein extern angelegtes Eingangssignal vorhanden ist. Ein Sinusoszillator ist im Wesentlichen eine Form eines Rückkopplungsverstärkers, bei dem besondere Anforderungen an die Spannungsverstärkung gestellt werdenAv und die Feedback-Netzwerke β.
Betrachten Sie den Rückkopplungsverstärker der obigen Abbildung, bei dem die Rückkopplungsspannung V f = βV O die gesamte Eingangsspannung liefert
$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ (1)
$ V_i = A_V \ beta V_i $ Oder $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)
Wenn eine Ausgangsspannung erzeugt werden soll, kann die Eingangsspannung nicht Null sein. Damit V i existiert, erfordert Gleichung (2) dies
$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ oder $ A_V \ beta = 1 $ (3)
Gleichung (3) ist bekannt als “Barkhausen criterion”, die zwei Grundvoraussetzungen für die Schwingung angibt -
Die Spannungsverstärkung um den Verstärker und die Rückkopplungsschleife, die als Schleifenverstärkung bezeichnet wird, muss Eins oder $ A_V \ beta = 1 $ sein.
Die Phasenverschiebung zwischen $ V_i $ und $ V_f $, die als Schleifenphasenverschiebung bezeichnet wird, muss Null sein.
Wenn diese beiden Bedingungen erfüllt sind, erzeugt der Rückkopplungsverstärker der obigen Figur konsistent eine sinusförmige Ausgangswellenform.
Lassen Sie uns nun einige typische Oszillatorschaltungen im Detail diskutieren.
Phasenverschiebungsoszillator
Eine Oszillatorschaltung, die dem grundlegenden Fortschritt einer Rückkopplungsschaltung folgt, ist der Phasenverschiebungsoszillator. Ein Phasenverschiebungsoszillator ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Anforderungen für die Schwingung sind , dass die Schleifenverstärkung (& beta; A) sollte größer sein als die Einheit und die Phasenverschiebung zwischen Eingang und Ausgang 360 sein sollte o .
Die Rückmeldung erfolgt vom Ausgang des RC-Netzwerks zurück zum Verstärkereingang. Die Verstärkerstufe des Operationsverstärkers bietet eine anfängliche Verschiebung um 180 Grad, und das RC-Netzwerk führt eine zusätzliche Phasenverschiebung ein. Bei einer bestimmten Frequenz beträgt die vom Netzwerk eingeführte Phasenverschiebung genau 180 Grad, sodass die Schleife 360 Grad beträgt und die Rückkopplungsspannung in der Phaseneingangsspannung liegt.
Die Mindestanzahl von RC-Stufen im Rückkopplungsnetz beträgt drei, da jeder Abschnitt eine Phasenverschiebung von 60 Grad bietet. Der RC-Oszillator ist ideal für den Bereich der Audiofrequenzen von wenigen Zyklen bis ca. 100 kHz geeignet. Bei den höheren Frequenzen wird die Netzwerkimpedanz so niedrig, dass sie den Verstärker ernsthaft belasten kann, wodurch seine Spannungsverstärkung unter den erforderlichen Mindestwert verringert wird und die Schwingungen aufhören.
Bei niedrigen Frequenzen ist der Belastungseffekt normalerweise kein Problem und die erforderlichen großen Widerstands- und Kapazitätswerte sind leicht verfügbar. Unter Verwendung der grundlegenden Netzwerkanalyse kann die Frequenzschwingung ausgedrückt werden als
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$
Wiener Brückenoszillator
Eine praktische Oszillatorschaltung verwendet eine Operationsverstärker- und eine RC-Brückenschaltung, wobei die Oszillatorfrequenz durch die eingestellt wird R und CKomponenten. Die folgende Abbildung zeigt eine Basisversion einer Wien-Brückenoszillatorschaltung.
Beachten Sie die grundlegende Brückenverbindung. Die Widerstände R 1 und R 2 und die Kondensatoren C 1 und C 2 bilden die Frequenzanpassungselemente, während die Widerstände R 3 und R 4 einen Teil des Rückkopplungspfades bilden.
In dieser Anwendung ist die Eingangsspannung (V i ) der Brücke die Verstärkerausgangsspannung, und die Ausgangsspannung (V o ) der Brücke ist eine Rückkopplung zum Verstärkereingang. Unter Vernachlässigung der Belastungseffekte der Eingangs- und Ausgangsimpedanzen des Operationsverstärkers ergibt sich die Analyse der Brückenschaltung
$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$
und
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$
Wenn R 1 = R 2 = R und C 1 = C 2 = C ist, ist die resultierende Oszillatorfrequenz
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$
Hartley-Oszillator
Die folgende Abbildung zeigt den Hartley-Oszillator. Es ist eine der häufigsten HF-Schaltungen. Es wird normalerweise als lokaler Oszillator in einem Kommunikations-Rundfunkempfänger verwendet. Der Bipolartransistor in der gemeinsamen Emitterverbindung ist der Spannungsverstärker und wird durch eine universelle Vorspannungsschaltung vorgespannt, die aus R 1 , R 2 , R E besteht . Der Emitter-Bypass-Kondensator (C E ) erhöht die Spannungsverstärkung dieser einzelnen Transistorstufe.
Die Hochfrequenzdrossel (RFC) im Kollektorstromkreis wirkt als offener Stromkreis bei der HF-Frequenz und verhindert, dass HF-Energie in die Stromversorgung gelangt. Der Tankkreis besteht aus L 1 , L 2 und C. Die Frequenz der Schwingungen wird durch den Wert von L 1 , L 2 und C bestimmt und wird durch die Schwingungen bei der Resonanzfrequenz des LC-Tankkreises bestimmt. Diese Resonanzfrequenz wird ausgedrückt als
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$
Das Ausgangssignal kann durch kapazitive Kopplung aus dem Kollektor entnommen werden, sofern die Last groß ist und die Schwingungsfrequenz nicht beeinflusst wird.
Piezoelektrizität
Piezoelektrische Eigenschaften zeigen eine Reihe natürlicher Kristallsubstanzen, von denen die wichtigsten Quarz, Rochellesalz und Turmalin sind. Wenn an diese Materialien eine sinusförmige Spannung angelegt wird, schwingen sie mit der angelegten Spannungsfrequenz.
Wenn diese Materialien andererseits komprimiert und mechanisch belastet werden, um zu vibrieren, erzeugen sie eine äquivalente sinusförmige Spannung. Daher werden diese Materialien als piezoelektrischer Kristall bezeichnet. Quarz ist der beliebteste piezoelektrische Kristall.
Kristalloszillator
Das Schaltbild des Quarzoszillators ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Der Kristall wirkt hier als abgestimmter Schaltkreis. Das Ersatzschaltbild eines Kristalls ist unten angegeben.
Ein Quarzoszillator hat zwei Resonanzfrequenzen: Serienresonanzfrequenz und Parallelresonanzfrequenz.
Serienresonanzfrequenz
$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Parallele Resonanzfrequenz
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$
Die beiden Resonanzfrequenzen sind nahezu gleich, da C / Cm sehr klein ist. In der obigen Figur ist der Kristall verbunden, um im Parallelresonanzmodus zu arbeiten.
Die Widerstände R 1 , R 2 , R E und der Transistor bilden zusammen eine Verstärkerschaltung. Die Widerstände R 1 und R 2 liefern eine spannungsstabilisierte Gleichstromvorspannung. Der Kondensator (C E ) liefert einen Wechselstrom-Bypass des Emitterwiderstands (R E ) und der RFC liefert eine hohe Impedanz für die vom Oszillator erzeugte Frequenz, so dass sie nicht in die Stromleitungen gelangen.
Der Kristall ist parallel zu den Kondensatoren C 1 und C 2 und ermöglicht eine maximale Spannungsrückkopplung vom Kollektor zum Emitter, wenn seine Impedanz maximal ist. Bei anderen Frequenzen ist die Kristallimpedanz niedrig und daher ist die resultierende Rückkopplung zu klein, um Schwingungen aufrechtzuerhalten. Die Oszillatorfrequenz wird bei der parallelen Resonanzfrequenz des Kristalls stabilisiert.