Urządzenia półprzewodnikowe - oscylatory
Oscylator to obwód elektroniczny, który generuje oscylacje sinusoidalne znane jako sinusoidal oscillator. Konwertuje energię wejściową ze źródła prądu stałego na energię wyjściową prądu przemiennego o okresowym kształcie fali, przy określonej częstotliwości i znanej amplitudzie. Cechą charakterystyczną oscylatora jest to, że zachowuje moc wyjściową AC.
Poniższy rysunek przedstawia wzmacniacz z sygnałem sprzężenia zwrotnego, nawet przy braku zewnętrznego sygnału wejściowego. Oscylator sinusoidalny jest zasadniczo formą wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym, w którym specjalne wymagania stawiane są wzmocnieniu napięciaAv oraz sieci informacji zwrotnej β.
Rozważmy wzmacniacz ze sprzężeniem zwrotnym z powyższego rysunku, gdzie napięcie sprzężenia zwrotnego V f = βV O dostarcza całe napięcie wejściowe
$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ (1)
$ V_i = A_V \ beta V_i $ Lub $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)
Jeśli ma być wytwarzane napięcie wyjściowe, napięcie wejściowe nie może wynosić zero. Stąd, aby V i istniało, wymaga tego równanie (2)
$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ Lub $ A_V \ beta = 1 $ (3)
Równanie (3) jest znane jako “Barkhausen criterion”, który określa dwa podstawowe wymagania dotyczące oscylacji -
Wzmocnienie napięcia wokół wzmacniacza i pętli sprzężenia zwrotnego, zwane wzmocnieniem pętli, musi wynosić jedność lub $ A_V \ beta = 1 $.
Przesunięcie fazowe między $ V_i $ a $ V_f $, nazywane przesunięciem fazowym pętli, musi wynosić zero.
Jeśli te dwa warunki są spełnione, wzmacniacz ze sprzężeniem zwrotnym z powyższego rysunku będzie generował konsekwentnie sinusoidalny przebieg wyjściowy.
Omówmy teraz szczegółowo niektóre typowe obwody oscylatora.
Oscylator przesunięcia fazowego
Obwód oscylatora, który śledzi podstawowy postęp obwodu sprzężenia zwrotnego, to oscylator z przesunięciem fazowym. Na poniższym rysunku przedstawiono oscylator przesunięcia fazowego. Wymagania dotyczące oscylacji są takie, że wzmocnienie pętli (βA) powinno być większe niż jedność, a przesunięcie fazowe między wejściem a wyjściem powinno wynosić 360 o .
Sprzężenie zwrotne jest dostarczane z wyjścia sieci RC z powrotem do wejścia wzmacniacza. Stopień wzmacniacza operacyjnego zapewnia początkowe przesunięcie o 180 stopni, a sieć RC wprowadza dodatkowe przesunięcie fazowe. Przy określonej częstotliwości przesunięcie fazowe wprowadzone przez sieć wynosi dokładnie 180 stopni, więc pętla będzie miała 360 stopni, a napięcie sprzężenia zwrotnego jest w fazowym napięciu wejściowym.
Minimalna liczba stopni RC w sieci sprzężenia zwrotnego to trzy, ponieważ każda sekcja zapewnia 60 stopni przesunięcia fazowego. Oscylator RC jest idealnie dopasowany do zakresu częstotliwości audio, od kilku cykli do około 100 KHz. Przy wyższych częstotliwościach impedancja sieci staje się tak niska, że może poważnie obciążać wzmacniacz, zmniejszając w ten sposób jego wzmocnienie napięcia poniżej wymaganej wartości minimalnej, a oscylacje ustaną.
Przy niskich częstotliwościach efekt obciążenia zwykle nie stanowi problemu, a wymagane duże wartości rezystancji i pojemności są łatwo dostępne. Korzystając z podstawowej analizy sieci, oscylacje częstotliwości można wyrazić jako
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$
Oscylator Wien Bridge
Praktyczny obwód oscylatora wykorzystuje obwód wzmacniacza operacyjnego i mostka RC, z częstotliwością oscylatora ustawioną przez R i Cskładniki. Poniższy rysunek przedstawia podstawową wersję obwodu oscylatora mostka Wien.
Zwróć uwagę na podstawowe połączenie mostkowe. Rezystory R 1 i R 2 i kondensatory C 1 i C 2 tworzą elementy regulacji częstotliwościowej, podczas gdy rezystory R 3 i R 4 stanowią część toru sprzężenia zwrotnego.
W tym zastosowaniu napięcie wejściowe (V i ) do mostka jest napięciem wyjściowym wzmacniacza, a napięcie wyjściowe (V o ) mostka jest sprzężeniem zwrotnym z wejściem wzmacniacza. Pomijając skutki obciążenia impedancji wejściowej i wyjściowej wzmacniacza operacyjnego, wyniki analizy obwodu mostka
$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$
i
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$
Gdy R 1 = R 2 = R i C 1 = C 2 = C, otrzymany częstotliwość oscylatora jest
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$
Oscylator Hartley
Poniższy rysunek przedstawia oscylator Hartley. Jest to jeden z najpopularniejszych obwodów RF. Zwykle jest używany jako lokalny oscylator w odbiorniku transmisji. Tranzystor bipolarny węzeł do wspólnego połączenia emitera wzmacniacza napięcia i jest dociskany przez uniwersalne obwodu polaryzacji składającej się z R 1 , R 2 , R E . Kondensator obejściowy emitera (C E ) zwiększa wzmocnienie napięcia tego pojedynczego stopnia tranzystora.
Dławik częstotliwości radiowej (RFC) w obwodzie kolektora działa jako obwód otwarty przy częstotliwości RF i zapobiega przedostawaniu się energii RF do źródła zasilania. Obwód zbiornika składa się z L 1 , L 2 i C. Częstotliwość oscylacji jest określona przez wartość L 1 , L 2 i C i jest określona przez oscylacje przy częstotliwości rezonansowej obwodu zbiornika LC. Ta częstotliwość rezonansowa jest wyrażona jako
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$
Sygnał wyjściowy można pobrać z kolektora przez sprzężenie pojemnościowe, pod warunkiem, że obciążenie jest duże i nie ma to wpływu na częstotliwość oscylacji.
Piezoelektryczność
Właściwości piezoelektryczne wykazuje szereg naturalnych substancji krystalicznych, z których najważniejsze to kwarc, sól Rochelle i turmalin. Kiedy na te materiały przyłożone jest napięcie sinusoidalne, wibrują one z przyłożoną częstotliwością napięcia.
Z drugiej strony, gdy te materiały są ściskane i poddawane mechanicznym obciążeniom w celu wibracji, wytwarzają równoważne napięcie sinusoidalne. Dlatego te materiały nazywane są kryształami piezoelektrycznymi. Kwarc to najpopularniejszy kryształ piezoelektryczny.
Oscylator kwarcowy
Schemat obwodu oscylatora kwarcowego pokazano na poniższym rysunku.
Kryształ tutaj działa jak dostrojony obwód. Równoważny obwód kryształu podano poniżej.
Oscylator kwarcowy ma dwie częstotliwości rezonansowe: szeregową częstotliwość rezonansową i równoległą częstotliwość rezonansową.
Częstotliwość rezonansowa serii
$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Równoległa częstotliwość rezonansowa
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$
Te dwie częstotliwości rezonansowe są prawie takie same, ponieważ C / Cm jest bardzo małe. Na powyższym rysunku kryształ jest podłączony do pracy w równoległym trybie rezonansowym.
Rezystory R 1 , R 2 , R E i tranzystor tworzą razem obwód wzmacniacza. Rezystory R 1 i R 2 zapewniają stabilizowane napięciem polaryzację DC. Kondensator (C E ) zapewnia obejście prądu przemiennego rezystora emitera (R E ), a RFC zapewnia wysoką impedancję częstotliwości generowanej przez oscylator, dzięki czemu nie dostają się one do linii energetycznych.
Kryształ jest równolegle do kondensatora C 1 i C 2 oraz umożliwia maksymalne napięcie zwrotne od kolektora do nadajnika, gdy jej impedancji maksimum. Przy innych częstotliwościach impedancja kryształu jest niska, a więc wynikowe sprzężenie zwrotne jest zbyt małe, aby utrzymać oscylacje. Częstotliwość oscylatora jest stabilizowana przy równoległej częstotliwości rezonansowej kryształu.