Sinusoszillatoren - Kurzanleitung

Ein oscillatorErzeugt einen Ausgang ohne Wechselstromeingangssignal. Ein elektronischer Oszillator ist eine Schaltung, die Gleichstrom mit einer sehr hohen Frequenz in Wechselstrom umwandelt. Ein Verstärker mit positiver Rückkopplung kann als Oszillator verstanden werden.

Verstärker gegen Oszillator

Ein amplifier erhöht die Signalstärke des angelegten Eingangssignals, während an oscillatorerzeugt ein Signal ohne dieses Eingangssignal, benötigt jedoch Gleichstrom für seinen Betrieb. Dies ist der Hauptunterschied zwischen einem Verstärker und einem Oszillator.

Schauen Sie sich die folgende Abbildung an. Es zeigt deutlich, wie ein Verstärker Energie aus einer Gleichstromquelle aufnimmt und diese bei Signalfrequenz in Wechselstrom umwandelt. Ein Oszillator erzeugt selbst ein oszillierendes Wechselstromsignal.

Die Frequenz, Wellenform und Größe der von einem Verstärker erzeugten Wechselstromleistung wird durch die am Eingang angelegte Wechselstromsignalspannung gesteuert, während die für einen Oszillator von den Komponenten in der Schaltung selbst gesteuert werden, was bedeutet, dass keine externe Steuerspannung erforderlich ist .

Lichtmaschine gegen Oszillator

Ein alternatorist ein mechanisches Gerät, das Sinuswellen ohne Eingabe erzeugt. Diese Wechselstromerzeugungsmaschine wird verwendet, um Frequenzen bis zu 1000 Hz zu erzeugen. Die Ausgangsfrequenz hängt von der Anzahl der Pole und der Drehzahl des Ankers ab.

Die folgenden Punkte verdeutlichen die Unterschiede zwischen einem Generator und einem Oszillator -

• Ein Generator wandelt mechanische Energie in Wechselstrom um, während der Oszillator Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

• Ein Oszillator kann höhere Frequenzen von mehreren MHz erzeugen, während ein Generator dies nicht kann.

• Ein Generator hat rotierende Teile, ein elektronischer Oszillator nicht.

• Es ist einfach, die Frequenz von Schwingungen in einem Oszillator als in einer Lichtmaschine zu ändern.

Oszillatoren können auch als Gegensatz zu Gleichrichtern betrachtet werden, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln, da diese Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln. Eine ausführliche Beschreibung der Gleichrichter finden Sie in unserem Tutorial zu elektronischen Schaltkreisen .

Klassifizierung von Oszillatoren

Elektronische Oszillatoren werden hauptsächlich in die folgenden zwei Kategorien eingeteilt:

• Sinusoidal Oscillators - Die Oszillatoren, die einen Ausgang mit einer Sinuswellenform erzeugen, werden aufgerufen sinusoidal oder harmonic oscillators. Solche Oszillatoren können eine Ausgabe bei Frequenzen im Bereich von 20 Hz bis 1 GHz liefern.

• Non-sinusoidal Oscillators - Die Oszillatoren, die einen Ausgang mit einer quadratischen, rechteckigen oder Sägezahnwellenform erzeugen, werden aufgerufen non-sinusoidal oder relaxation oscillators. Solche Oszillatoren können eine Ausgabe bei Frequenzen im Bereich von 0 Hz bis 20 MHz liefern.

In diesem Tutorial werden wir nur über Sinusoszillatoren sprechen. Sie können die Funktionen von nicht sinusförmigen Oszillatoren in unserem Tutorial zu Impulsschaltungen lernen .

Sinusoszillatoren

Sinusoszillatoren können in folgende Kategorien eingeteilt werden:

• Tuned Circuit Oscillators- Diese Oszillatoren verwenden einen Schwingkreis aus Induktivitäten (L) und Kondensatoren (C) und dienen zur Erzeugung von Hochfrequenzsignalen. Daher werden sie auch als Hochfrequenz-HF-Oszillatoren bezeichnet. Solche Oszillatoren sind Hartley, Colpitts, Clapp-Oszillatoren usw.

• RC Oscillators- Dort verwenden Oszillatoren Widerstände und Kondensatoren und werden zur Erzeugung von Nieder- oder Audiofrequenzsignalen verwendet. Daher werden sie auch als Audiofrequenzoszillatoren (AF-Oszillatoren) bezeichnet. Solche Oszillatoren sind Phasenverschiebungs- und Weinbrückenoszillatoren.

• Crystal Oscillators- Diese Oszillatoren verwenden Quarzkristalle und erzeugen ein hochstabilisiertes Ausgangssignal mit Frequenzen bis 10 MHz. Der Piezo-Oszillator ist ein Beispiel für einen Kristalloszillator.

• Negative-resistance Oscillator- Diese Oszillatoren verwenden die negative Widerstandscharakteristik der Geräte, z. B. Tunnelgeräte. Ein abgestimmter Diodenoszillator ist ein Beispiel für einen Oszillator mit negativem Widerstand.

Natur sinusförmiger Schwingungen

Es gibt im Allgemeinen zwei Arten von Schwingungen in einer Sinuswelle. Sie sinddamped und undamped oscillations.

Gedämpfte Schwingungen

Die elektrischen Schwingungen, deren Amplitude mit der Zeit abnimmt, werden als bezeichnet Damped Oscillations. Die Frequenz der gedämpften Schwingungen kann abhängig von den Schaltungsparametern konstant bleiben.

Gedämpfte Schwingungen werden im Allgemeinen von den Schwingkreisen erzeugt, die Leistungsverluste erzeugen und bei Bedarf nicht kompensieren.

Ungedämpfte Schwingungen

Die elektrischen Schwingungen, deren Amplitude über die Zeit konstant bleibt, werden als bezeichnet Undamped Oscillations. Die Frequenz der ungedämpften Schwingungen bleibt konstant.

Ungedämpfte Schwingungen werden im Allgemeinen von den Schwingkreisen erzeugt, die keine Leistungsverluste erzeugen und Kompensationstechniken folgen, wenn Leistungsverluste auftreten.

Ein Verstärker mit positiver Rückkopplung erzeugt, dass sein Ausgang mit dem Eingang in Phase ist, und erhöht die Stärke des Signals. Positives Feedback wird auch als bezeichnetdegenerative feedback oder direct feedback. Diese Art der Rückkopplung macht einen Rückkopplungsverstärker zu einem Oszillator.

Die Verwendung einer positiven Rückkopplung führt zu einem Rückkopplungsverstärker mit einer Verstärkung im geschlossenen Regelkreis, die größer als die Verstärkung im offenen Regelkreis ist. Es fuehrt zuinstabilityund arbeitet als Schwingkreis. Eine Schwingschaltung liefert ein konstant variierendes verstärktes Ausgangssignal mit jeder gewünschten Frequenz.

Der Schwingkreis

Eine Schwingschaltung erzeugt elektrische Schwingungen einer gewünschten Frequenz. Sie sind auch bekannt alstank circuits.

Eine einfache Tankschaltung besteht aus einer Induktivität L und einem Kondensator C, die beide zusammen die Schwingungsfrequenz der Schaltung bestimmen.

Um das Konzept der Schwingschaltung zu verstehen, betrachten wir die folgende Schaltung. Der Kondensator in dieser Schaltung wird bereits mit einer Gleichstromquelle aufgeladen. In dieser Situation weist die obere Platte des Kondensators einen Elektronenüberschuss auf, während die untere Platte ein Elektronendefizit aufweist. Der Kondensator hält etwas elektrostatische Energie und es liegt eine Spannung am Kondensator an.

Wenn der Schalter Sgeschlossen ist, entlädt sich der Kondensator und der Strom fließt durch die Induktivität. Aufgrund des induktiven Effekts baut sich der Strom langsam auf einen Maximalwert auf. Sobald sich der Kondensator vollständig entladen hat, ist das Magnetfeld um die Spule maximal.

Fahren wir nun mit der nächsten Stufe fort. Sobald der Kondensator vollständig entladen ist, beginnt das Magnetfeld zu kollabieren und erzeugt eine Gegen-EMK gemäß dem Lenzschen Gesetz. Der Kondensator wird nun mit positiver Ladung auf der oberen Platte und negativer Ladung auf der unteren Platte aufgeladen.

Sobald der Kondensator vollständig aufgeladen ist, beginnt er sich zu entladen, um ein Magnetfeld um die Spule aufzubauen, wie im folgenden Schaltplan gezeigt.

Diese Fortsetzung des Ladens und Entladens führt zu einer abwechselnden Bewegung von Elektronen oder einer oscillatory current. Der Energieaustausch zwischen L und C erzeugt kontinuierlichoscillations.

In einer idealen Schaltung, in der es keine Verluste gibt, würden die Schwingungen unbegrenzt fortgesetzt. In einem praktischen Tankkreislauf treten Verluste wie zresistive und radiation losses in der Spule und dielectric lossesim Kondensator. Diese Verluste führen zu gedämpften Schwingungen.

Frequenz der Schwingungen

Die Frequenz der vom Tankkreis erzeugten Schwingungen wird durch die Komponenten des Tankkreises bestimmt. the L und the C. Die tatsächliche Frequenz der Schwingungen ist dieresonant frequency (oder Eigenfrequenz) des Tankkreislaufs, gegeben durch

$$f_r = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$

Kapazität des Kondensators

Die Schwingungsfrequenz f _o ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Kapazität eines Kondensators. Wenn also der Wert des verwendeten Kondensators groß ist, sind die Lade- und Entladezeiträume groß. Daher wird die Frequenz niedriger sein.

Mathematisch ist die Frequenz,

$$f_o \propto 1\sqrt{C}$$

Selbstinduktivität der Spule

Die Frequenz der Schwingung f _o ist proportional zur Quadratwurzel der Selbstinduktivität der Spule. Wenn der Wert der Induktivität groß ist, ist der Widerstand gegen eine Änderung des Stromflusses größer und daher ist die zur Vervollständigung jedes Zyklus erforderliche Zeit länger, was bedeutet, dass die Zeitdauer länger und die Frequenz geringer ist.

Mathematisch ist die Frequenz,

$$f_o \propto 1\sqrt{L}$$

Kombination der beiden obigen Gleichungen,

$$f_o \propto \frac{1}{\sqrt{LC}}$$

$$f_o = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$

Die obige Gleichung gibt zwar die Ausgangsfrequenz an, stimmt jedoch mit der überein natural frequency oder resonance frequency des Tankkreislaufs.

Eine Oszillatorschaltung ist ein vollständiger Satz aller Teile der Schaltung, die zur Erzeugung der Schwingungen beitragen. Diese Schwingungen sollten anhalten und ungedämpft sein, wie gerade beschrieben. Versuchen wir, eine praktische Oszillatorschaltung zu analysieren, um besser zu verstehen, wie eine Oszillatorschaltung funktioniert.

Praktische Oszillatorschaltung

Eine praktische Oszillatorschaltung besteht aus einer Tankschaltung, einem Transistorverstärker und einer Rückkopplungsschaltung. Das folgende Schaltbild zeigt die Anordnung eines praktischen Oszillators.

Lassen Sie uns nun die Teile dieser praktischen Oszillatorschaltung diskutieren.

• Tank Circuit - Der Tankkreis besteht aus einer Induktivität L, die parallel zum Kondensator geschaltet ist C. Die Werte dieser beiden Komponenten bestimmen die Frequenz der Oszillatorschaltung und werden daher als bezeichnetFrequency determining circuit.

• Transistor Amplifier- Der Ausgang des Tankkreises ist mit dem Verstärkerkreis verbunden, so dass hier die vom Tankkreis erzeugten Schwingungen verstärkt werden. Daher wird die Ausgabe dieser Schwingungen durch den Verstärker erhöht.

• Feedback Circuit- Die Funktion der Rückkopplungsschaltung besteht darin, einen Teil der Ausgangsenergie in der richtigen Phase an die LC-Schaltung zu übertragen. Diese Rückkopplung ist bei Oszillatoren positiv, bei Verstärkern negativ.

Frequenzstabilität eines Oszillators

Die Frequenzstabilität eines Oszillators ist ein Maß für seine Fähigkeit, eine konstante Frequenz über ein langes Zeitintervall aufrechtzuerhalten. Bei Betrieb über einen längeren Zeitraum kann die Oszillatorfrequenz entweder durch Erhöhen oder durch Verringern von dem zuvor eingestellten Wert abweichen.

Die Änderung der Oszillatorfrequenz kann aufgrund der folgenden Faktoren auftreten:

• Der Betriebspunkt des verwendeten aktiven Geräts wie BJT oder FET sollte im linearen Bereich des Verstärkers liegen. Seine Abweichung beeinflusst die Oszillatorfrequenz.

• Die Temperaturabhängigkeit der Leistung von Schaltungskomponenten beeinflusst die Oszillatorfrequenz.

• Die Änderungen der an das aktive Gerät angelegten Gleichstromversorgungsspannung verschieben die Oszillatorfrequenz. Dies kann vermieden werden, wenn eine geregelte Stromversorgung verwendet wird.

• Eine Änderung der Ausgangslast kann eine Änderung des Q-Faktors des Tankkreises verursachen, wodurch eine Änderung der Oszillatorausgangsfrequenz verursacht wird.

• Das Vorhandensein von Zwischenelementkapazitäten und Streukapazitäten beeinflusst die Oszillatorausgangsfrequenz und damit die Frequenzstabilität.

Das Barkhausen-Kriterium

Mit dem Wissen, das wir bisher haben, haben wir verstanden, dass eine praktische Oszillatorschaltung aus einer Tankschaltung, einer Transistorverstärkerschaltung und einer Rückkopplungsschaltung besteht. Lassen Sie uns nun versuchen, das Konzept der Rückkopplungsverstärker aufzufrischen, um die Verstärkung der Rückkopplungsverstärker abzuleiten.

Prinzip des Rückkopplungsverstärkers

Ein Rückkopplungsverstärker besteht im Allgemeinen aus zwei Teilen. Sie sind dieamplifier und die feedback circuit. Die Rückkopplungsschaltung besteht normalerweise aus Widerständen. Das Konzept des Rückkopplungsverstärkers kann aus der folgenden Abbildung verstanden werden.

Aus der obigen Figur ist die Verstärkung des Verstärkers als A dargestellt. Die Verstärkung des Verstärkers ist das Verhältnis der Ausgangsspannung Vo zur Eingangsspannung V _i . Das Rückkopplungsnetzwerk extrahiert eine Spannung V _f = β V _o aus dem Ausgang V _o des Verstärkers.

Diese Spannung wird für eine positive Rückkopplung addiert und für eine negative Rückkopplung von der Signalspannung V _s subtrahiert .

Für ein positives Feedback

V _i = V _s + V _f = V _s + β V _o

Die Größe β = V _f / V _o wird als Rückkopplungsverhältnis oder Rückkopplungsfraktion bezeichnet.

Der Ausgang V _o muss gleich der Eingangsspannung (V _s + β V _o ) multipliziert mit der Verstärkung A des Verstärkers sein.

Daher,

$$(V_s + \beta V_o)A = V_o$$

Oder

$$AV_s + A\beta V_o = V_o$$

Oder

$$AV_s = V_o(1 - A\beta)$$

Deshalb

$$\frac{V_o}{V_s} = \frac{A}{1 - A\beta}$$

Sei A _f die Gesamtverstärkung (Verstärkung mit der Rückkopplung) des Verstärkers. Dies ist definiert als das Verhältnis der Ausgangsspannung V _o zur angelegten Signalspannung V _s , dh

$$A_f = \frac{Output \: Voltage}{Input \: Signal \: Voltage} = \frac{V_o}{V_s}$$

Aus den obigen zwei Gleichungen können wir verstehen, dass die Verstärkungsgleichung des Rückkopplungsverstärkers mit positiver Rückkopplung gegeben ist durch

$$A_f = \frac{A}{1 - A\beta}$$

Wo Aβ ist der feedback factor oder der loop gain.

Wenn Aβ = 1 ist, ist A _f = ∞. Somit wird die Verstärkung unendlich, dh es wird eine Ausgabe ohne Eingabe ausgegeben. Mit anderen Worten, der Verstärker arbeitet als Oszillator.

Die Bedingung Aβ = 1 heißt Barkhausen Criterion of oscillations. Dies ist ein sehr wichtiger Faktor, der beim Konzept der Oszillatoren immer berücksichtigt werden muss.

Abstimmkreisoszillatoren sind die Schaltkreise, die mit Hilfe von Abstimmkreisen Schwingungen erzeugen. Die Abstimmschaltungen bestehen aus einer Induktivität L und einem Kondensator C. Diese sind auch bekannt alsLC oscillators, resonant circuit oscillators oder tank circuit oscillators.

Die Schwingkreisoszillatoren werden verwendet, um einen Ausgang mit Frequenzen im Bereich von 1 MHz bis 500 MHz zu erzeugen. Daher werden diese auch als bezeichnet R.F. Oscillators. Ein BJT oder ein FET wird als Verstärker mit Schwingkreisoszillatoren verwendet. Mit einem Verstärker und einem LC-Tankkreis können wir ein Signal mit der richtigen Amplitude und Phase zurückkoppeln, um die Schwingungen aufrechtzuerhalten.

Arten von Schwingkreisoszillatoren

Die meisten in Funksendern und -empfängern verwendeten Oszillatoren sind vom Typ LC-Oszillatoren. Abhängig von der Art und Weise, wie die Rückkopplung in der Schaltung verwendet wird, werden die LC-Oszillatoren in die folgenden Typen unterteilt.

• Tuned-collector or Armstrong Oscillator- Es verwendet eine induktive Rückkopplung vom Kollektor eines Transistors zur Basis. Die LC-Schaltung befindet sich in der Kollektorschaltung des Transistors.

• Tuned base Oscillator- Es verwendet induktives Feedback. Die LC-Schaltung befindet sich jedoch in der Basisschaltung.

• Hartley Oscillator - Es verwendet induktives Feedback.

• Colpitts Oscillator - Es verwendet kapazitives Feedback.

• Clapp Oscillator - Es verwendet kapazitives Feedback.

Wir werden nun alle oben genannten LC-Oszillatoren im Detail diskutieren.

Abgestimmter Kollektoroszillator

Abgestimmte Kollektoroszillatoren werden so genannt, weil die abgestimmte Schaltung im Kollektor des Transistorverstärkers angeordnet ist. Die Kombination vonL und C bilden den abgestimmten Schaltkreis oder den Frequenzbestimmungskreis.

Konstruktion

Die Widerstände R ₁ , R ₂ und R _E werden verwendet, um dem Transistor eine Gleichstromvorspannung bereitzustellen. Die Kondensatoren C _E und C sind die Bypass-Kondensatoren. Die Sekundärseite des Transformators liefert eine Wechselstrom-Rückkopplungsspannung, die an der Basis-Emitter-Verbindung von R ₁ auftritt, und R ₂ befindet sich aufgrund des Bypass-Kondensators C auf Wechselstrommasse. Falls der Kondensator nicht vorhanden war, wurde ein Teil der Spannung induziert Die Sekundärseite des Transformators würde über R ₂ abfallen, anstatt vollständig zum Eingang des Transistors zu gehen.

Da der CE - konfigurierten Transistor 180 liefert ^o Phasenverschiebung, eine andere 180 ^os wird Phasenverschiebung durch den Transformator zur Verfügung gestellt, die 360 macht ^o Phasenverschiebung zwischen den Eingangs- und Ausgangsspannungen. Das folgende Schaltbild zeigt die Anordnung einer abgestimmten Kollektorschaltung.

Betrieb

Sobald die Versorgung gegeben ist, steigt der Kollektorstrom an und der Kondensator C wird aufgeladen. Wenn der Kondensator vollständig aufgeladen ist, entlädt er sich durch die Induktivität L ₁ . Nun werden Schwingungen erzeugt. Diese Schwingungen induzieren eine gewisse Spannung in der Sekundärwicklung L ₂ . Die Frequenz der in der Sekundärwicklung induzierten Spannung ist dieselbe wie die des Tankkreises und ihre Größe hängt von der Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung und der Kopplung zwischen beiden Wicklungen ab.

Die Spannung an L ₂ wird zwischen Basis und Emitter angelegt und erscheint in verstärkter Form im Kollektorstromkreis, wodurch die Verluste im Tankkreis überwunden werden. Die Anzahl der Windungen von L ₂ und die Kopplung zwischen L ₁ und L ₂ sind so eingestellt, dass die Schwingungen über L ₂ auf ein Niveau verstärkt werden, das gerade ausreicht, um dem Tankkreis Verluste zuzuführen.

Abgestimmte Kollektoroszillatoren werden häufig als local oscillator in Funkempfängern.

Abgestimmter Basisoszillator

Abgestimmte Basisoszillatoren werden so genannt, weil die abgestimmte Schaltung in der Basis des Transistorverstärkers angeordnet ist. Die Kombination vonL und C bilden den abgestimmten Schaltkreis oder den Frequenzbestimmungskreis.

Konstruktion

Die Widerstände R ₁ , R ₂ und R _E werden verwendet, um dem Transistor eine Gleichstromvorspannung bereitzustellen. Die parallele Kombination aus R _e und C _e in der Emitterschaltung ist die Stabilisierungsschaltung. C _C ist der Sperrkondensator. Die Kondensatoren C _E und C sind die Bypass-Kondensatoren. Die Primärspule L und die Sekundärspule L ₁ des HF-Transformators liefern die erforderliche Rückmeldung an Kollektor- und Basisschaltungen.

Da der CE - konfigurierten Transistor 180 liefert ^o Phasenverschiebung, eine andere 180 ^os wird Phasenverschiebung durch den Transformator zur Verfügung gestellt, die 360 macht ^o Phasenverschiebung zwischen den Eingangs- und Ausgangsspannungen. Das folgende Schaltbild zeigt die Anordnung einer abgestimmten Basisoszillatorschaltung.

Betrieb

Beim Einschalten des Stromkreises steigt der Kollektorstrom an. Wenn der Kollektor mit der Spule L _{1 verbunden} ist, erzeugt dieser Strom ein Magnetfeld um ihn herum. Dies induziert eine Spannung in der Schwingkreis-Spule L. Die Rückkopplungsspannung erzeugt einen Anstieg der Emitterbasisspannung und des Basisstroms. Dadurch wird ein weiterer Anstieg des Kollektorstroms erreicht und der Zyklus fortgesetzt, bis der Kollektorstrom gesättigt ist. In der Zwischenzeit ist der Kondensator voll aufgeladen.

Wenn der Kollektorstrom den Sättigungspegel erreicht, gibt es in L keine Rückkopplungsspannung. Da der Kondensator vollständig aufgeladen ist, beginnt er sich durch L zu entladen. Dies verringert die Vorspannung der Emitterbasis und daher nimmt auch I _B und der Kollektorstrom ab. Wenn der Kollektorstrom die Abschaltung erreicht, ist der Kondensator C mit entgegengesetzter Polarität vollständig aufgeladen. Wenn der Transistor jetzt aussteigt, beginnt sich der Kondensator C durch L zu entladen. Dies erhöht die Vorspannung der Emitterbasis. Infolgedessen steigt der Kollektorstrom an.

Der Zyklus wiederholt sich, solange genügend Energie zugeführt wird meet the lossesin LC-Schaltung. Die Schwingungsfrequenz ist gleich der Resonanzfrequenz des LC-Schaltkreises.

Nachteil

Die Haupt drawbackder abgestimmten Basisoszillatorschaltung ist, dass aufgrund des niedrigen Basis-Emitter-Widerstands, der im Nebenschluss mit der abgestimmten Schaltung auftritt, die Tankschaltung belastet wird. Dies reduziert sein Q, was wiederum eine Drift in der Oszillatorfrequenz verursacht. Dadurch wird die Stabilität schlechter. Aus diesem Grund ist der Schwingkreisnot meistens connected in base Schaltkreis.

Ein sehr beliebtes local oscillator Schaltung, die meistens in verwendet wird radio receivers ist der Hartley OscillatorSchaltkreis. Die Konstruktionsdetails und die Funktionsweise eines Hartley-Oszillators sind nachstehend erläutert.

Konstruktion

In dem unten gezeigten Schaltplan eines Hartley-Oszillators stellen die Widerstände R ₁ , R ₂ und R _e die notwendige Vorspannungsbedingung für die Schaltung bereit. Der Kondensator C _e liefert Wechselstrommasse, wodurch jegliche Signaldegeneration bereitgestellt wird. Dies sorgt auch für eine Temperaturstabilisierung.

Die Kondensatoren C _c und C _b werden verwendet, um Gleichstrom zu blockieren und einen Wechselstrompfad bereitzustellen. Die Hochfrequenzdrossel (RFC) bietet eine sehr hohe Impedanz für hochfrequente Ströme, was bedeutet, dass sie für Gleichstrom kurzschließt und für Wechselstrom öffnet. Daher liefert sie eine Gleichstromlast für den Kollektor und hält Wechselströme von der Gleichstromversorgungsquelle fern

Tankkreis

Das frequenzbestimmende Netzwerk ist ein Parallelschwingkreis, der aus den Induktivitäten L ₁ und L ₂ zusammen mit einem variablen Kondensator C besteht. Die Verbindungsstellen von L ₁ und L ₂ sind geerdet. Das eine Ende der Spule L ₁ ist über C _c mit der Basis und das andere Ende über C _e mit dem Emitter verbunden . L ₂ befindet sich also in der Ausgangsschaltung. Beide Spulen L ₁ und L ₂ sind induktiv gekoppelt und bilden zusammen eineAuto-transformer.

Das folgende Schaltbild zeigt die Anordnung eines Hartley-Oszillators. Der Tankkreis istshunt fedin dieser Schaltung. Es kann auch ein seinseries-fed.

Betrieb

Wenn die Kollektorversorgung gegeben ist, wird im Schwingungs- oder Tankkreis ein Übergangsstrom erzeugt. Der Schwingungsstrom im Tankkreis erzeugt eine Wechselspannung über L ₁ .

Das auto-transformerDie durch die induktive Kopplung von L ₁ und L _{2 hergestellte} Hilfe hilft bei der Bestimmung der Frequenz und stellt die Rückkopplung her. Da der CE - konfigurierten Transistor 180 liefert ^o Phasenverschiebung, eine andere 180 ^os wird Phasenverschiebung durch den Transformator zur Verfügung gestellt, die 360 macht ^o Phasenverschiebung zwischen den Eingangs- und Ausgangsspannungen.

Dies macht die Rückkopplung positiv, was für den Zustand der Schwingungen wesentlich ist. Wenn derloop gain |βA| of the amplifier is greater than oneSchwingungen werden in der Schaltung aufrechterhalten.

Frequenz

Die Gleichung für frequency of Hartley oscillator ist gegeben als

$$f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{L_T C}}$$

$$L_T = L_1 + L_2 + 2M$$

Hier, L_T ist die gesamte kumulativ gekoppelte Induktivität; L₁ und L₂stellen Induktivitäten von 1 ^st und 2 ^nd Spulen; undM steht für gegenseitige Induktivität.

Mutual inductance wird berechnet, wenn zwei Wicklungen berücksichtigt werden.

Vorteile

Die Vorteile des Hartley-Oszillators sind

• Anstelle eines großen Transformators kann eine einzelne Spule als Autotransformator verwendet werden.

• Die Frequenz kann variiert werden, indem entweder ein variabler Kondensator oder eine variable Induktivität verwendet wird.

• Eine geringere Anzahl von Komponenten ist ausreichend.

• Die Amplitude des Ausgangs bleibt über einen festen Frequenzbereich konstant.

Nachteile

Die Nachteile des Hartley-Oszillators sind

• Es kann kein Niederfrequenzoszillator sein.
• Harmonische Verzerrungen sind vorhanden.

Anwendungen

Die Anwendungen des Hartley-Oszillators sind

• Es wird verwendet, um eine Sinuswelle mit der gewünschten Frequenz zu erzeugen.
• Wird hauptsächlich als lokaler Oszillator in Funkempfängern verwendet.
• Es wird auch als HF-Oszillator verwendet.

Ein Colpitts-Oszillator sieht genauso aus wie der Hartley-Oszillator, aber die Induktivitäten und Kondensatoren werden im Tankkreislauf durcheinander ersetzt. Die Konstruktionsdetails und die Funktionsweise eines Colpitts-Oszillators sind nachstehend erläutert.

Konstruktion

Schauen wir uns zunächst den Schaltplan eines Colpitts-Oszillators an.

Die Widerstände R ₁ , R ₂ und R _e liefern die notwendige Vorspannungsbedingung für die Schaltung. Der Kondensator C _e liefert Wechselstrommasse, wodurch jegliche Signaldegeneration bereitgestellt wird. Dies sorgt auch für eine Temperaturstabilisierung.

Die Kondensatoren C _c und C _b werden verwendet, um Gleichstrom zu blockieren und einen Wechselstrompfad bereitzustellen. Die Hochfrequenzdrossel (RFC) bietet eine sehr hohe Impedanz für hochfrequente Ströme, was bedeutet, dass sie für Gleichstrom kurzschließt und für Wechselstrom öffnet. Daher liefert sie eine Gleichstromlast für den Kollektor und hält Wechselströme von der Gleichstromversorgungsquelle fern.

Tankkreis

Das frequenzbestimmende Netzwerk ist ein Parallelschwingkreis, der aus variablen Kondensatoren C ₁ und C ₂ zusammen mit einem Induktor L besteht. Die Verbindungsstellen von C ₁ und C ₂ sind geerdet. Der Kondensator C ₁ hat ein Ende über C _c mit der Basis und das andere Ende über C _e mit dem Emitter verbunden . Die an C ₁ entwickelte Spannung liefert die regenerative Rückkopplung, die für die anhaltenden Schwingungen erforderlich ist.

Betrieb

Wenn die Kollektorversorgung gegeben ist, wird im Schwingungs- oder Tankkreis ein Übergangsstrom erzeugt. Der Oszillationsstrom im Tankkreis erzeugt eine Wechselspannung über C _1, die an den Basisemitterübergang angelegt wird und in verstärkter Form im Kollektorkreis erscheint und dem Tankkreis Verluste zuführt.

Wenn Klemme 1 zu irgendeinem Zeitpunkt in Bezug auf Klemme 3 auf positivem Potential liegt, liegt Klemme 2 zu diesem Zeitpunkt in Bezug auf 3 auf negativem Potential, da Klemme 3 geerdet ist. Daher sind die Punkte 1 und 2 um 180 ^° phasenverschoben .

Da der CE - konfigurierten Transistor 180 liefert ^o Verschiebe - Phase, ist es 360 ^o Phasenverschiebung zwischen den Eingangs- und Ausgangsspannungen. Daher wird die Rückkopplung richtig phasengesteuert, um kontinuierliche ungedämpfte Schwingungen zu erzeugen. Wenn derloop gain |βA| of the amplifier is greater than one, oscillations are sustained in der Schaltung.

Frequenz

Die Gleichung für frequency of Colpitts oscillator ist gegeben als

$$f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC_T}}$$

C _T ist die Gesamtkapazität von C ₁ und C _2, die in Reihe geschaltet sind.

$$\frac{1}{C_T} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2}$$

$$C_T = \frac{C_1 \times C_2}{C_1 + C_2}$$

Vorteile

Die Vorteile des Colpitts-Oszillators sind folgende:

• Der Colpitts-Oszillator kann sinusförmige Signale mit sehr hohen Frequenzen erzeugen.
• Es hält hohen und niedrigen Temperaturen stand.
• Die Frequenzstabilität ist hoch.
• Die Frequenz kann mit beiden variablen Kondensatoren variiert werden.
• Eine geringere Anzahl von Komponenten ist ausreichend.
• Die Amplitude des Ausgangs bleibt über einen festen Frequenzbereich konstant.

Der Colpitts-Oszillator wurde entwickelt, um die Nachteile des Hartley-Oszillators zu beseitigen, und es ist bekannt, dass er keine spezifischen Nachteile aufweist. Daher gibt es viele Anwendungen eines Colpitts-Oszillators.

Anwendungen

Die Anwendungen des Colpitts-Oszillators sind wie folgt:

• Der Colpitts-Oszillator kann als Hochfrequenz-Sinuswellengenerator verwendet werden.
• Dies kann als Temperatursensor mit einigen zugehörigen Schaltkreisen verwendet werden.
• Wird hauptsächlich als lokaler Oszillator in Funkempfängern verwendet.
• Es wird auch als HF-Oszillator verwendet.
• Es wird auch in mobilen Anwendungen verwendet.
• Es hat viele andere kommerzielle Anwendungen.

Ein weiterer Oszillator, der eine erweiterte Version des Colpitts-Oszillators ist, ist der Clapp Oscillator. Diese Schaltung wird durch einige Änderungen am Colpitts-Oszillator konstruiert.

Die Schaltung unterscheidet sich vom Colpitts-Oszillator nur in einer Hinsicht; Es enthält einen zusätzlichen Kondensator (C ₃ ), der in Reihe mit der Induktivität geschaltet ist. Die Zugabe eines Kondensators (C ₃ ) verbessert die Frequenzstabilität und eliminiert den Effekt von Transistorparametern und Streukapazitäten.

Das folgende Schaltbild zeigt die Anordnung von a transistor Clapp oscillator.

Der Betrieb der Clapp-Oszillatorschaltung erfolgt auf die gleiche Weise wie der des Colpitts-Oszillators. Die Frequenz des Oszillators ist gegeben durch die Beziehung,

$$f_o = \frac{1}{2 \pi \sqrt{L.C}}$$

Wo

$$C = \frac{1}{\frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \frac{1}{C_3}}$$

Normalerweise ist der Wert von C₃ ist viel kleiner als C₁ und C₂. Und folglich,C ist ungefähr gleich C₃. Daher ist die Frequenz der Schwingung,

$$f_o = \frac{1}{2 \pi \sqrt{L.C_3}}$$

Es versteht sich, dass der Clapp-Oszillator dem Colpitts-Oszillator ähnlich ist, sie unterscheiden sich jedoch in der Art und Weise, wie die Induktivitäten und Kapazitäten angeordnet sind. Die Frequenzstabilität ist zwar gut, kann aber in einem Clapp-Oszillator variabel sein.

Ein Clapp-Oszillator wird manchmal gegenüber einem Colpitts-Oszillator zum Aufbau eines Oszillators mit variabler Frequenz bevorzugt. Die Clapp-Oszillatoren werden in Empfänger-Abstimmschaltungen als Frequenzoszillator verwendet.

Eines der wichtigen Merkmale eines Oszillators ist, dass die an den Tankkreis angelegte Rückkopplungsenergie in der richtigen Phase sein sollte. Die bisher diskutierten Oszillatorschaltungen haben eine Kombination aus Induktor (L) und Kondensator (C) in der Tankschaltung oder der Frequenzbestimmungsschaltung verwendet.

Wir haben beobachtet , dass die LC - Oszillatoren in Kombination 180 bereitzustellen ^o Phasenverschiebung und den Transistor in CE Konfiguration bereitzustellen 180 ° Phasenverschiebung insgesamt 360 zu machen ^o Phasenverschiebung , so dass es eine Null - Phasendifferenz machen würde.

Nachteile von LC-Schaltungen

Obwohl sie nur wenige Anwendungen haben, ist die LC Schaltungen haben wenige drawbacks sowie

• Frequenzinstabilität
• Die Wellenform ist schlecht
• Kann nicht für niedrige Frequenzen verwendet werden
• Induktivitäten sind sperrig und teuer

Wir haben eine andere Art von Oszillatorschaltungen, die durch Ersetzen der Induktivitäten durch Widerstände hergestellt werden. Auf diese Weise wird die Frequenzstabilität verbessert und eine Wellenform guter Qualität erhalten. Diese Oszillatoren können auch niedrigere Frequenzen erzeugen. Außerdem wird die Schaltung weder sperrig noch teuer.

Alle Nachteile von LC Oszillatorschaltungen entfallen somit in RCOszillatorschaltungen. Daher besteht Bedarf an RC-Oszillatorschaltungen. Diese werden auch als bezeichnetPhase–shift Oscillators.

Prinzip der Phasenverschiebungsoszillatoren

Wir wissen, dass die Ausgangsspannung einer RC-Schaltung für einen Sinuswelleneingang der Eingangsspannung vorauseilt. Der Phasenwinkel, um den es führt, wird durch den Wert der in der Schaltung verwendeten RC-Komponenten bestimmt. Das folgende Schaltbild zeigt einen einzelnen Abschnitt eines RC-Netzwerks.

Die Ausgangsspannung V ₁ 'über dem Widerstand R führt den an den Eingang V ₁ angelegten Eingangsspannung um einen Phasenwinkel ɸ ^o . Wenn R auf Null reduziert würde, würde V ₁ 'das V ₁ um 90 ^{o führen,} dh ɸ ^o = 90 ^o .

Das Einstellen von R auf Null wäre jedoch nicht praktikabel, da es zu keiner Spannung über R führen würde. Daher wird R in der Praxis auf einen solchen Wert variiert, dass V ₁ 'V ₁ um 60 ^{o führt} . Das folgende Schaltbild zeigt die drei Abschnitte des RC-Netzwerks.

Jeder Abschnitt erzeugt eine Phasenverschiebung von 60 ^° . Folglich wird eine Gesamtphasenverschiebung von 180 ^° erzeugt, dh die Spannung V _{2 liegt} um 180 ^{° vor} der Spannung V ₁ .

Phasenverschiebungsoszillatorschaltung

Die Oszillatorschaltung, die unter Verwendung eines Phasenverschiebungsnetzwerks eine Sinuswelle erzeugt, wird als Phasenverschiebungsoszillatorschaltung bezeichnet. Die Konstruktionsdetails und der Betrieb einer Phasenverschiebungsoszillatorschaltung sind nachstehend angegeben.

Konstruktion

Die Phasenverschiebungsoszillatorschaltung besteht aus einem einzelnen Transistorverstärkerabschnitt und einem RC-Phasenverschiebungsnetzwerk. Das Phasenverschiebungsnetzwerk in dieser Schaltung besteht aus drei RC-Abschnitten. Bei der Resonanzfrequenz f _o beträgt die Phasenverschiebung in jedem RC-Abschnitt 60 ^°, so dass die vom RC-Netzwerk erzeugte Gesamtphasenverschiebung 180 ^° beträgt .

Das folgende Schaltbild zeigt die Anordnung eines RC-Phasenverschiebungsoszillators.

Die Frequenz der Schwingungen ist gegeben durch

$$f_o = \frac{1}{2\pi RC \sqrt{6}}$$

Wo

$$R_1 = R_2 = R_3 = R$$

$$C_1 = C_2 = C_3 = C$$

Betrieb

Der eingeschaltete Stromkreis schwingt mit der Resonanzfrequenz f _o . Der Ausgang E _o des Verstärkers wird in das RC-Rückkopplungsnetz zurückgeführt. Dieses Netzwerk erzeugt eine Phasenverschiebung von 180 ^° und an seinem Ausgang erscheint eine Spannung E _i . Diese Spannung wird an den Transistorverstärker angelegt.

Das angewendete Feedback wird sein

$$m = E_i/E_o$$

Die Rückkopplung ist in der richtigen Phase, während der Transistorverstärker in CE-Konfiguration eine Phasenverschiebung von 180 ^° erzeugt . Die vom Netzwerk und vom Transistor erzeugte Phasenverschiebung addiert sich, um eine Phasenverschiebung um die gesamte Schleife zu bilden, die 360 ^° beträgt .

Vorteile

Die Vorteile des RC-Phasenverschiebungsoszillators sind wie folgt:

• Es werden keine Transformatoren oder Induktivitäten benötigt.
• Es kann verwendet werden, um sehr niedrige Frequenzen zu erzeugen.
• Die Schaltung bietet eine gute Frequenzstabilität.

Nachteile

Die Nachteile des RC-Phasenverschiebungsoszillators sind wie folgt:

• Das Starten der Schwingungen ist schwierig, da die Rückkopplung gering ist.
• Die erzeugte Leistung ist gering.

Eine andere Art von populärem Audiofrequenzoszillator ist die Wien-Brückenoszillatorschaltung. Dies wird hauptsächlich wegen seiner wichtigen Merkmale verwendet. Diese Schaltung ist frei von dercircuit fluctuations und die ambient temperature.

Der Hauptvorteil dieses Oszillators besteht darin, dass die Frequenz im Bereich von 10 Hz bis etwa 1 MHz variiert werden kann, während bei RC-Oszillatoren die Frequenz nicht variiert wird.

Konstruktion

Der Schaltungsaufbau des Wien-Brückenoszillators kann wie folgt erklärt werden. Es ist ein zweistufiger Verstärker mit RC-Brückenschaltung. Die Brückenschaltung hat die Arme R ₁ C ₁ , R ₃ , R ₂ C ₂ und die Wolframlampe L _p . Der Widerstand R ₃ und die Lampe L _p werden verwendet, um die Amplitude des Ausgangs zu stabilisieren.

Das folgende Schaltbild zeigt die Anordnung eines Wien-Brückenoszillators.

Der Transistor T ₁ dient als Oszillator und einen Verstärker , während der andere Transistor T ₂ dient als ein Inverter. Der Wechselrichterbetrieb liefert eine Phasenverschiebung von 180 ^° . Diese Schaltung liefert eine positive Rückkopplung über R ₁ C ₁ , C ₂ R ₂ an den Transistor T ₁ und eine negative Rückkopplung über den Spannungsteiler an den Eingang des Transistors T ₂ .

Die Schwingungsfrequenz wird durch das Serienelement R ₁ C ₁ und das Parallelelement R ₂ C ₂ der Brücke bestimmt.

$$f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{R_1C_1R_2C_2}}$$

Wenn R ₁ = R ₂ und C ₁ = C ₂ = C.

Dann,

$$f = \frac{1}{2\pi RC}$$

Nun können wir die obige Schaltung wie folgt vereinfachen:

Der Oszillator besteht aus zwei Stufen eines RC-gekoppelten Verstärkers und einem Rückkopplungsnetzwerk. Die Spannung über der Parallelkombination von R und C wird dem Eingang von Verstärker 1 zugeführt. Die Nettophasenverschiebung durch die beiden Verstärker ist Null.

Die übliche Idee, den Ausgang des Verstärkers 2 mit dem Verstärker 1 zu verbinden, um eine Signalregeneration für den Oszillator bereitzustellen, ist hier nicht anwendbar, da der Verstärker 1 Signale über einen weiten Frequenzbereich verstärkt und daher eine direkte Kopplung zu einer schlechten Frequenzstabilität führen würde. Durch Hinzufügen eines Wien-Brückenrückkopplungsnetzwerks wird der Oszillator für eine bestimmte Frequenz empfindlich und somit wird eine Frequenzstabilität erreicht.

Betrieb

Wenn die Schaltung eingeschaltet wird, erzeugt die Brückenschaltung Schwingungen der oben angegebenen Frequenz. Die beiden Transistoren erzeugen eine Gesamtphasenverschiebung von 360 ^°, so dass eine ordnungsgemäße positive Rückkopplung gewährleistet ist. Die negative Rückkopplung in der Schaltung sorgt für eine konstante Ausgabe. Dies wird durch die temperaturempfindliche Wolframlampe L _{p erreicht} . Sein Widerstand nimmt mit dem Strom zu.

Wenn die Amplitude des Ausgangs zunimmt, wird mehr Strom erzeugt und mehr negative Rückkopplung erreicht. Aus diesem Grund würde die Ausgabe zum ursprünglichen Wert zurückkehren. Wenn die Leistung tendenziell abnimmt, würde eine umgekehrte Aktion stattfinden.

Vorteile

Die Vorteile des Wiener Brückenoszillators sind folgende:

• Die Schaltung bietet eine gute Frequenzstabilität.

• Es bietet eine konstante Ausgabe.

• Die Bedienung der Schaltung ist recht einfach.

• Die Gesamtverstärkung ist aufgrund von zwei Transistoren hoch.

• Die Frequenz der Schwingungen kann leicht geändert werden.

• Die Amplitudenstabilität der Ausgangsspannung kann genauer aufrechterhalten werden, indem R ₂ durch einen Thermistor ersetzt wird.

Nachteile

Die Nachteile des Wien-Brückenoszillators sind wie folgt:

• Die Schaltung kann keine sehr hohen Frequenzen erzeugen.

• Für den Schaltungsaufbau sind zwei Transistoren und eine Anzahl von Komponenten erforderlich.

Immer wenn ein Oszillator im Dauerbetrieb ist, ist sein frequency stabilitywird betroffen. Es treten Änderungen in der Frequenz auf. Die Hauptfaktoren, die die Frequenz eines Oszillators beeinflussen, sind

• Variationen der Stromversorgung
• Temperaturänderungen
• Änderungen des Last- oder Ausgangswiderstands

Bei RC- und LC-Oszillatoren variieren die Werte für Widerstand, Kapazität und Induktivität mit der Temperatur und daher wird die Frequenz beeinflusst. Um dieses Problem zu vermeiden, werden die piezoelektrischen Kristalle in Oszillatoren verwendet.

Die Verwendung von piezoelektrischen Kristallen in parallelen Resonanzkreisen sorgt für eine hohe Frequenzstabilität in Oszillatoren. Solche Oszillatoren werden als bezeichnetCrystal Oscillators.

Kristalloszillatoren

Das Prinzip der Quarzoszillatoren hängt von der Piezo electric effect. Die natürliche Form eines Kristalls ist sechseckig. Wenn ein Kristallwafer senkrecht zur X-Achse gekrümmt ist, wird er als X-Schnitt bezeichnet, und wenn er entlang der Y-Achse geschnitten wird, wird er als Y-Schnitt bezeichnet.

Der im Kristalloszillator verwendete Kristall weist eine Eigenschaft auf, die als piezoelektrische Eigenschaft bezeichnet wird. Lassen Sie uns also eine Idee zum piezoelektrischen Effekt haben.

Piezoelektrischer Effekt

Der Kristall weist die Eigenschaft auf, dass beim Anlegen einer mechanischen Spannung an eine der Flächen des Kristalls eine Potentialdifferenz an den gegenüberliegenden Flächen des Kristalls entsteht. Wenn umgekehrt eine Potentialdifferenz über eine der Flächen angelegt wird, wird entlang der anderen Flächen eine mechanische Spannung erzeugt. Dies ist bekannt alsPiezo electric effect.

Bestimmte kristalline Materialien wie Rochellesalz, Quarz und Turmalin zeigen einen piezoelektrischen Effekt, und solche Materialien werden als bezeichnet Piezo electric crystals. Quarz ist der am häufigsten verwendete piezoelektrische Kristall, da er kostengünstig und in der Natur leicht verfügbar ist.

Wenn ein piezoelektrischer Kristall einem geeigneten Wechselpotential ausgesetzt wird, vibriert er mechanisch. Die Amplitude mechanischer Schwingungen wird maximal, wenn die Frequenz der Wechselspannung gleich der Eigenfrequenz des Kristalls ist.

Bearbeitung eines Quarzkristalls

Damit ein Kristall in einer elektronischen Schaltung funktioniert, wird der Kristall in Form eines Kondensators zwischen zwei Metallplatten angeordnet. Quartzist der am häufigsten verwendete Kristalltyp aufgrund seiner Verfügbarkeit und seiner starken Natur, während er kostengünstig ist. Die Wechselspannung wird parallel zum Kristall angelegt.

Die Schaltungsanordnung eines Quarzkristalls ist wie folgt:

Wenn eine Wechselspannung angelegt wird, beginnt der Kristall mit der Frequenz der angelegten Spannung zu vibrieren. Wenn jedoch die Frequenz der angelegten Spannung gleich der Eigenfrequenz des Kristalls gemacht wird,resonancefindet statt und Kristallschwingungen erreichen einen Maximalwert. Diese Eigenfrequenz ist nahezu konstant.

Ersatzschaltbild eines Kristalls

Wenn wir versuchen, den Kristall mit einem äquivalenten Stromkreis darzustellen, müssen wir zwei Fälle berücksichtigen, nämlich wann er vibriert und wann nicht. Die folgenden Abbildungen zeigen das Symbol bzw. das elektrische Ersatzschaltbild eines Kristalls.

Das obige Ersatzschaltbild besteht aus einer Serien-RLC-Schaltung parallel zu einer Kapazität C _m . Wenn der über der Wechselstromquelle montierte Kristall nicht vibriert, entspricht er der Kapazität C _m . Wenn der Kristall vibriert, wirkt er wie eine abgestimmte RLC-Schaltung.

Frequenzgang

Der Frequenzgang eines Kristalls ist wie unten gezeigt. Die Grafik zeigt die Reaktanz (X _L oder X _C ) gegenüber der Frequenz (f). Es ist offensichtlich, dass der Kristall zwei eng beabstandete Resonanzfrequenzen aufweist.

Die erste ist die Reihenresonanzfrequenz (f _s ), die auftritt , wenn Reaktanz der Induktivität (L) an die Reaktanz der Kapazität C. In Fall , dass gleich ist, die Impedanz der Äquivalenzschaltung ist gleich dem Widerstand R und Die Schwingungsfrequenz ergibt sich aus der Beziehung:

$$f = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C}}$$

Die zweite ist die parallele Resonanzfrequenz (f _p ), die auftritt, wenn die Reaktanz des RLC-Zweigs gleich der Reaktanz des Kondensators C _{m ist} . Bei dieser Frequenz bietet der Kristall dem externen Stromkreis eine sehr hohe Impedanz, und die Schwingungsfrequenz ist durch die Beziehung gegeben.

$$f_p = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C_T}}$$

Wo

$$C_T = \frac{C C_m}{(C + C_m)}$$

Der Wert von C _m ist im Vergleich zu C gewöhnlich sehr groß. Daher ist der Wert von C _T ungefähr gleich C und daher ist die Serienresonanzfrequenz ungefähr gleich der Parallelresonanzfrequenz (dh f _s = f _p ).

Kristalloszillatorschaltung

Eine Kristalloszillatorschaltung kann auf verschiedene Arten aufgebaut werden, wie ein kristallgesteuerter abgestimmter Kollektoroszillator, ein Colpitts-Kristalloszillator, ein Clap-Kristalloszillator usw. Aber die transistor pierce crystal oscillatorist die am häufigsten verwendete. Dies ist die Schaltung, die normalerweise als Quarzoszillatorschaltung bezeichnet wird.

Das folgende Schaltbild zeigt die Anordnung eines Transistor-Durchstechkristalloszillators.

In dieser Schaltung ist der Kristall als Serienelement im Rückkopplungspfad vom Kollektor zur Basis verbunden. Die Widerstände R ₁ , R ₂ und R _E stellen eine mit Spannungsteiler stabilisierte Gleichstromvorspannungsschaltung bereit. Der Kondensator C _E liefert einen Wechselstrom-Bypass des Emitterwiderstands, und die RFC-Spule (Radio Frequency Choke) sorgt für eine Gleichstromvorspannung, während jegliches Wechselstromsignal auf den Stromleitungen von der Beeinflussung des Ausgangssignals entkoppelt wird. Der Kopplungskondensator C hat bei der Betriebsfrequenz der Schaltung eine vernachlässigbare Impedanz. Aber es blockiert jeden Gleichstrom zwischen Kollektor und Basis.

Die Schaltungsfrequenz der Schwingung wird durch die Serienresonanzfrequenz des Kristalls eingestellt und ihr Wert wird durch die Beziehung gegeben,

$$f_o = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C}}$$

Es ist anzumerken, dass die Änderungen der Versorgungsspannung, der Transistorvorrichtungsparameter usw. keinen Einfluss auf die Betriebsfrequenz der Schaltung haben, die durch den Kristall stabil gehalten wird.

Vorteile

Die Vorteile des Quarzoszillators sind wie folgt:

• Sie haben eine hohe Ordnung der Frequenzstabilität.
• Der Qualitätsfaktor (Q) des Kristalls ist sehr hoch.

Nachteile

Die Nachteile des Quarzoszillators sind wie folgt:

• Sie sind zerbrechlich und können in Stromkreisen mit geringem Stromverbrauch verwendet werden.
• Die Frequenz der Schwingungen kann nicht nennenswert verändert werden.

Frequenzstabilität eines Oszillators

Von einem Oszillator wird erwartet, dass er seine Frequenz für eine längere Dauer ohne Variationen beibehält, um einen gleichmäßigeren Sinuswellenausgang für den Schaltungsbetrieb zu erhalten. Daher ist der Begriff Frequenzstabilität sehr wichtig, wenn es um Oszillatoren geht, ob sinusförmig oder nicht sinusförmig.

Die Frequenzstabilität eines Oszillators ist definiert als die Fähigkeit des Oszillators, die erforderliche Frequenz über ein langes Zeitintervall so konstant wie möglich zu halten. Versuchen wir, die Faktoren zu diskutieren, die diese Frequenzstabilität beeinflussen.

Änderung des Betriebspunkts

Wir sind bereits auf die Transistorparameter gestoßen und haben gelernt, wie wichtig ein Betriebspunkt ist. Die Stabilität dieses Arbeitspunkts für den Transistor, der in der Schaltung zur Verstärkung (BJT oder FET) verwendet wird, ist von höherer Bedeutung.

Der Betrieb des verwendeten aktiven Geräts wird so eingestellt, dass es im linearen Teil seiner Eigenschaften liegt. Dieser Punkt verschiebt sich aufgrund von Temperaturschwankungen und daher wird die Stabilität beeinträchtigt.

Temperaturschwankungen

Die Tankschaltung in der Oszillatorschaltung enthält verschiedene frequenzbestimmende Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten. Alle ihre Parameter sind temperaturabhängig. Aufgrund der Temperaturänderung werden ihre Werte beeinflusst. Dies bringt die Frequenzänderung der Oszillatorschaltung mit sich.

Aufgrund der Stromversorgung

Die Schwankungen der zugeführten Leistung wirken sich auch auf die Frequenz aus. Die Stromversorgungsschwankungen führen zu Schwankungen in V _cc . Dies beeinflusst die Frequenz der erzeugten Schwingungen.

Um dies zu vermeiden, wird das geregelte Stromversorgungssystem implementiert. Dies wird kurz als RPS bezeichnet. Die Details der geregelten Stromversorgung wurden im Abschnitt Stromversorgung des Tutorials zu ELEKTRONISCHEN SCHALTUNGEN klar erläutert.

Änderung der Ausgangslast

Die Schwankungen des Ausgangswiderstands oder der Ausgangslast wirken sich auch auf die Frequenz des Oszillators aus. Wenn eine Last angeschlossen ist, ändert sich der effektive Widerstand des Tankkreises. Infolgedessen wird der Q-Faktor des LC-Schwingkreises geändert. Dies führt zu einer Änderung der Ausgangsfrequenz des Oszillators.

Änderungen der Kapazitäten zwischen Elementen

Zwischenelementkapazitäten sind die Kapazitäten, die sich in PN-Übergangsmaterialien wie Dioden und Transistoren entwickeln. Diese entstehen aufgrund der Ladung, die in ihnen während ihres Betriebs vorhanden ist.

Die Zwischenelementkondensatoren ändern sich aus verschiedenen Gründen wie Temperatur, Spannung usw. Dieses Problem kann gelöst werden, indem der Sumpfkondensator über einen störenden Zwischenelementkondensator angeschlossen wird.

Wert von Q.

Der Wert von Q (Qualitätsfaktor) muss in Oszillatoren hoch sein. Der Wert von Q in abgestimmten Oszillatoren bestimmt die Selektivität. Da dieses Q direkt proportional zur Frequenzstabilität eines abgestimmten Schaltkreises ist, sollte der Wert von Q hoch gehalten werden.

Die Frequenzstabilität kann mathematisch dargestellt werden als:

$$S_w = d\theta/dw$$

Wobei dθ die Phasenverschiebung ist, die für eine kleine Frequenzänderung der Nennfrequenz f _{r eingeführt wird} . Die Schaltung, die den größeren Wert von (d & thgr; / dw) ergibt, hat eine stabilere Schwingungsfrequenz.

Ein Oszillator, der mit negativen Widerstandseigenschaften arbeitet, kann als negativer Widerstandsoszillator bezeichnet werden. Der Begriffnegative resistancebezieht sich auf einen Zustand, in dem ein Spannungsanstieg an zwei Punkten einen Stromabfall verursacht. Einige der nichtlinearen Vorrichtungen weisen unter bestimmten Bedingungen eine negative Widerstandseigenschaft auf.

Negative Widerstandseigenschaft

Beobachten wir das Verhalten, wenn die Spannung an ein nichtlineares Gerät angelegt wird, das eine negative Widerstandseigenschaft aufweist. Um diese Eigenschaft zu verstehen, betrachten wir die folgende Grafik, um die Schwankungen von Spannung und Strom herauszufinden.

Wenn die Durchlassspannung ansteigt, steigt der Strom schnell an und steigt bis zu einem Spitzenpunkt an, der als bezeichnet wird Peak Current, bezeichnet durch I_P. Die Spannung an diesem Punkt wird als bezeichnetPeak Voltage, bezeichnet durch V_P. Dieser Punkt wird durch angezeigtAin der obigen Grafik. Der PunktA wird genannt Peak Point.

Wenn die Spannung darüber hinaus weiter erhöht wird V_Pdann beginnt der Strom abzunehmen. Es nimmt bis zu einem Punkt ab, der als bezeichnet wirdValley Current, bezeichnet durch I_V. Die Spannung an diesem Punkt wird als bezeichnetValley Voltage, bezeichnet durch V_V. Dieser Punkt wird durch angezeigtBin der obigen Grafik. Der PunktB wird genannt Valley Point.

Daher der Bereich zwischen Punkt A und Punkt B zeigt die Negative resistance region. Sobald der Talpunkt erreicht ist und die Spannung weiter erhöht wird, steigt der Strom an. Dies bedeutet, dass der negative Widerstandsbereich beendet wurde und sich das Gerät normal gemäß dem Ohmschen Gesetz verhält. Diese Region heißt alsPositive Resistance region, was durch Punkt angezeigt wird B darauf hinweisen C in der Grafik.

Nur wenige Oszillatoren weisen während ihres Betriebs negative Widerstandseigenschaften auf. Der Uni-Junction-Oszillator ist das beste Beispiel für einen nicht sinusförmigen Oszillator (erzeugt eine Sweep-Wellenform als Ausgang), der eine negative Widerstandseigenschaft aufweist, während der Tunneldiodenoszillator das beste Beispiel für einen sinusförmigen Oszillator ist, der eine negative Widerstandseigenschaft aufweist.

Im nächsten Kapitel dieses Tutorials werden wir mehr über Tunneldiodenoszillatoren diskutieren.

Die Oszillatorschaltung, die unter Verwendung einer Tunneldiode aufgebaut ist, wird als Tunneldiodenoszillator bezeichnet. Wenn die Verunreinigungskonzentration eines normalen PN-Übergangs stark erhöht ist, ist diesTunnel diodegebildet. Es ist auch bekannt alsEsaki diodenach seinem Erfinder.

Tunneldiode

Wenn die Verunreinigungskonzentration in einer Diode zunimmt, nimmt die Breite des Verarmungsbereichs ab, wodurch eine zusätzliche Kraft auf die Ladungsträger ausgeübt wird, um den Übergang zu überqueren. Wenn diese Konzentration aufgrund der geringeren Breite des Verarmungsbereichs und der erhöhten Energie der Ladungsträger weiter erhöht wird, durchdringen sie die Potentialbarriere, anstatt darüber zu klettern. Dieses Eindringen kann verstanden werden alsTunneling und daher der Name, Tunnel diode.

Das folgende Bild zeigt, wie eine praktische Tunneldiode aussieht.

Die Symbole der Tunneldiode sind wie unten gezeigt.

Weitere Informationen zu Tunneldioden finden Sie in unserem Tutorial zur Grundelektronik .

Tunneldiodenoszillator

Die Tunneldiode hilft bei der Erzeugung eines sehr hochfrequenten Signals von fast 10 GHz. Eine praktische Tunneldiodenschaltung kann aus einem Schalter S, einem Widerstand R und einer Versorgungsquelle V bestehen, die über eine Tunneldiode D mit einer Tankschaltung verbunden sind.

Arbeiten

Der Wert des ausgewählten Widerstands sollte so sein, dass er die Tunneldiode in der Mitte des negativen Widerstandsbereichs vorspannt. Die folgende Abbildung zeigt die praktische Oszillatorschaltung für Tunneldioden.

In dieser Schaltung stellt der Widerstand R ₁ die richtige Vorspannung für die Diode ein und der Widerstand R ₂ stellt den richtigen Strompegel für die Tankschaltung ein . Die parallele Kombination des Widerstands R _p Induktor L und des Kondensators C bildet einen Tankkreis, der bei der ausgewählten Frequenz in Resonanz ist.

Wenn der Schalter S geschlossen ist, steigt der Schaltungsstrom sofort in Richtung des konstanten Wertes an, dessen Wert durch den Wert des Widerstands R und den Diodenwiderstand bestimmt wird. Wenn jedoch der Spannungsabfall über der Tunneldiode V _D die Spitzenpunktspannung V _p überschreitet , wird die Tunneldiode in einen negativen Widerstandsbereich getrieben.

In diesem Bereich beginnt der Strom abzunehmen, bis die Spannung V _D gleich der Talpunktspannung V _{v wird} . Zu diesem Zeitpunkt treibt ein weiterer Anstieg der Spannung V _D die Diode in den positiven Widerstandsbereich. Infolgedessen neigt der Schaltungsstrom dazu, anzusteigen. Diese Erhöhung der Schaltung erhöht den Spannungsabfall über dem Widerstand R, wodurch die Spannung V _D verringert wird .

VI Kennlinie

Die folgende Grafik zeigt die VI-Eigenschaften einer Tunneldiode -

Die Kurve AB zeigt den negativen Widerstandsbereich an, wenn der Widerstand abnimmt, während die Spannung ansteigt. Es ist klar, dass der Q-Punkt in der Mitte der Kurve AB liegt. Der Q-Punkt kann sich während des Schaltungsbetriebs zwischen den Punkten A und B bewegen. Der Punkt A heißtpeak point und der Punkt B heißt valley point.

Während des Betriebs erhöht der Anstieg des Schaltungsstroms nach Erreichen des Punktes B den Spannungsabfall über dem Widerstand R, wodurch die Spannung V _D verringert wird . Dies bringt die Diode zurück in den negativen Widerstandsbereich.

Die Abnahme der Spannung V _D ist gleich der Spannung V _P und dies vervollständigt einen Betriebszyklus. Die Fortsetzung dieser Zyklen erzeugt kontinuierliche Schwingungen, die eine sinusförmige Ausgabe ergeben.

Vorteile

Die Vorteile eines Tunneldiodenoszillators sind folgende:

• Es hat hohe Schaltgeschwindigkeiten.
• Es kann mit hohen Frequenzen umgehen.

Nachteile

Die Nachteile eines Tunneldiodenoszillators sind wie folgt:

• Sie sind Geräte mit geringem Stromverbrauch.
• Tunneldioden sind etwas teuer.

Anwendungen

Die Anwendungen eines Tunneldiodenoszillators sind wie folgt:

• Es wird in Relaxationsoszillatoren verwendet.
• Es wird in Mikrowellenoszillatoren verwendet.
• Es wird auch als Ultrahochgeschwindigkeitsschaltgerät verwendet.
• Es wird als Logikspeicher verwendet.

Nachdem alle wichtigen sinusförmigen Oszillatorschaltungen abgedeckt wurden, ist anzumerken, dass es viele Oszillatoren gibt, wie die bisher erwähnten. Die Oszillatoren, die Sinuswellenformen erzeugen, sind wie diskutiert Sinusoszillatoren.

Die Oszillatoren, die nicht sinusförmige Wellenformen (rechteckig, Sweep, dreieckig usw.) erzeugen, sind nicht sinusförmige Oszillatoren, die wir in unserem Tutorial zu Impulsschaltungen ausführlich besprochen haben .