Oscylatory sinusoidalne - skrócona instrukcja

Na oscillatorgeneruje wyjście bez żadnego sygnału wejściowego AC. Oscylator elektroniczny to obwód, który przekształca energię prądu stałego w prąd przemienny z bardzo dużą częstotliwością. Wzmacniacz z dodatnim sprzężeniem zwrotnym można rozumieć jako oscylator.

Wzmacniacz a oscylator

Na amplifier zwiększa siłę sygnału zastosowanego sygnału wejściowego, podczas gdy oscillatorgeneruje sygnał bez tego sygnału wejściowego, ale do działania potrzebuje prądu stałego. To jest główna różnica między wzmacniaczem a oscylatorem.

Spójrz na poniższą ilustrację. Wyraźnie pokazuje, w jaki sposób wzmacniacz pobiera energię ze źródła prądu stałego i przekształca ją w energię prądu przemiennego przy częstotliwości sygnału. Oscylator samodzielnie wytwarza oscylujący sygnał prądu przemiennego.

Częstotliwość, kształt fali i wielkość mocy prądu przemiennego generowanego przez wzmacniacz są kontrolowane przez napięcie sygnału prądu przemiennego przyłożone na wejściu, podczas gdy te dla oscylatora są kontrolowane przez elementy w samym obwodzie, co oznacza, że ​​nie jest wymagane zewnętrzne napięcie sterujące .

Alternator a oscylator

Na alternatorto urządzenie mechaniczne, które wytwarza fale sinusoidalne bez żadnego sygnału wejściowego. Ta maszyna generująca prąd przemienny służy do generowania częstotliwości do 1000 Hz. Częstotliwość wyjściowa zależy od liczby biegunów i prędkości obrotu twornika.

Poniższe punkty podkreślają różnice między alternatorem a oscylatorem -

  • Alternator przekształca energię mechaniczną w energię prądu przemiennego, podczas gdy oscylator przekształca energię prądu stałego w energię prądu przemiennego.

  • Oscylator może wytwarzać wyższe częstotliwości rzędu kilku MHz, podczas gdy alternator nie.

  • Alternator ma obracające się części, podczas gdy oscylator elektroniczny nie.

  • Łatwo jest zmienić częstotliwość oscylacji w oscylatorze niż w alternatorze.

Oscylatory można również uznać za przeciwne do prostowników, które konwertują prąd przemienny na prąd stały, ponieważ przekształcają prąd stały na prąd przemienny. Szczegółowy opis prostowników można znaleźć w naszym samouczku dotyczącym obwodów elektronicznych .

Klasyfikacja oscylatorów

Oscylatory elektroniczne dzielą się głównie na dwie kategorie -

  • Sinusoidal Oscillators - Nazywa się oscylatory, które wytwarzają sygnał wyjściowy o przebiegu sinusoidalnym sinusoidal lub harmonic oscillators. Takie oscylatory mogą zapewnić moc wyjściową w zakresie częstotliwości od 20 Hz do 1 GHz.

  • Non-sinusoidal Oscillators - Nazywane są oscylatory, które wytwarzają sygnał wyjściowy o przebiegu kwadratowym, prostokątnym lub piłokształtnym non-sinusoidal lub relaxation oscillators. Takie oscylatory mogą zapewniać sygnał wyjściowy na częstotliwościach w zakresie od 0 Hz do 20 MHz.

W tym samouczku omówimy tylko oscylatory sinusoidalne. Możesz nauczyć się funkcji oscylatorów niesinusoidalnych z naszego samouczka Obwody impulsowe .

Oscylatory sinusoidalne

Oscylatory sinusoidalne można podzielić na następujące kategorie -

  • Tuned Circuit Oscillators- Te oscylatory wykorzystują dostrojony obwód składający się z cewek (L) i kondensatorów (C) i są używane do generowania sygnałów o wysokiej częstotliwości. Dlatego są one również znane jako oscylatory o częstotliwości radiowej RF. Takie oscylatory to Hartley, Colpitts, oscylatory Clappa itp.

  • RC Oscillators- Tam oscylatory wykorzystują rezystory i kondensatory i są używane do generowania sygnałów o niskiej częstotliwości lub częstotliwości audio. Dlatego są one również znane jako oscylatory częstotliwości audio (AF). Takimi oscylatorami są oscylatory przesunięcia fazowego i mostka Weina.

  • Crystal Oscillators- Oscylatory te wykorzystują kryształy kwarcu i służą do generowania silnie stabilizowanego sygnału wyjściowego o częstotliwości do 10 MHz. Oscylator piezoelektryczny jest przykładem oscylatora kwarcowego.

  • Negative-resistance Oscillator- Te oscylatory wykorzystują ujemną charakterystykę rezystancji takich urządzeń, jak urządzenia tunelowe. Dostrojony oscylator diodowy jest przykładem oscylatora o ujemnej rezystancji.

Charakter oscylacji sinusoidalnych

Charakter oscylacji fali sinusoidalnej jest zasadniczo dwojakiego rodzaju. Oni sądamped i undamped oscillations.

Tłumione oscylacje

Oscylacje elektryczne, których amplituda maleje z czasem, nazywane są jako Damped Oscillations. Częstotliwość tłumionych oscylacji może pozostać stała w zależności od parametrów obwodu.

Tłumione oscylacje są generalnie wytwarzane przez obwody oscylacyjne, które wytwarzają straty mocy i nie kompensują się w razie potrzeby.

Niewytłumione oscylacje

Oscylacje elektryczne, których amplituda pozostaje stała w czasie, nazywane są jako Undamped Oscillations. Częstotliwość niewytłumionych oscylacji pozostaje stała.

Oscylacje niewytłumione są generalnie wytwarzane przez obwody oscylacyjne, które nie powodują strat mocy i stosują techniki kompensacji, jeśli wystąpią jakiekolwiek straty mocy.

Wzmacniacz z dodatnim sprzężeniem zwrotnym wytwarza swoje wyjście w fazie z wejściem i zwiększa siłę sygnału. Pozytywne opinie są również nazywane jakodegenerative feedback lub direct feedback. Ten rodzaj sprzężenia zwrotnego tworzy wzmacniacz sprzężenia zwrotnego, oscylator.

Zastosowanie dodatniego sprzężenia zwrotnego powoduje, że wzmacniacz ze sprzężeniem zwrotnym ma wzmocnienie w pętli zamkniętej większe niż wzmocnienie w pętli otwartej. Skutkuje toinstabilityi działa jako obwód oscylacyjny. Obwód oscylacyjny zapewnia stale zmieniający się wzmocniony sygnał wyjściowy o dowolnej żądanej częstotliwości.

Obwód oscylacyjny

Obwód oscylacyjny wytwarza oscylacje elektryczne o pożądanej częstotliwości. Znane są również jakotank circuits.

Prosty obwód zbiornika składa się z cewki indukcyjnej L i kondensatora C, z których oba razem określają częstotliwość oscylacyjną obwodu.

Aby zrozumieć pojęcie obwodu oscylacyjnego, rozważmy następujący obwód. Kondensator w tym obwodzie jest już ładowany za pomocą źródła prądu stałego. W tej sytuacji górna płyta kondensatora ma nadmiar elektronów, podczas gdy dolna ma ich deficyt. Kondensator przechowuje energię elektrostatyczną, a na kondensatorze występuje napięcie.

Kiedy przełącznik Sjest zamknięty, kondensator rozładowuje się, a prąd przepływa przez cewkę. Ze względu na efekt indukcyjny prąd rośnie powoli do wartości maksymalnej. Po całkowitym rozładowaniu kondensatora pole magnetyczne wokół cewki jest maksymalne.

Teraz przejdźmy do następnego etapu. Po całkowitym rozładowaniu kondensatora pole magnetyczne zaczyna się zapadać i wytwarza licznik pola elektromagnetycznego zgodnie z prawem Lenza. Kondensator jest teraz ładowany dodatnim ładunkiem na górnej płycie i ujemnym ładunkiem na dolnej płycie.

Gdy kondensator jest w pełni naładowany, zaczyna się rozładowywać, tworząc pole magnetyczne wokół cewki, jak pokazano na poniższym schemacie obwodu.

Ta kontynuacja ładowania i rozładowywania powoduje przemienny ruch elektronów lub oscillatory current. Wymiana energii między L i C jest ciągłaoscillations.

W idealnym obwodzie, w którym nie ma strat, oscylacje trwałyby w nieskończoność. W praktycznym obwodzie zbiornika występują straty takie jakresistive i radiation losses w cewce i dielectric lossesw kondensatorze. Straty te powodują tłumienie oscylacji.

Częstotliwość drgań

Częstotliwość oscylacji wytwarzanych przez obwód zbiornika jest określona przez elementy obwodu zbiornika, the L i the C. Rzeczywista częstotliwość oscylacji toresonant frequency (lub częstotliwość drgań własnych) obwodu zbiornika, która jest określona przez

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

Pojemność kondensatora

Częstotliwość oscylacji f o jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z pojemności kondensatora. Tak więc, jeśli wartość użytego kondensatora jest duża, okresy ładowania i rozładowania będą duże. Stąd częstotliwość będzie niższa.

Matematycznie, częstotliwość,

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

Indukcyjność własna cewki

Częstotliwość oscylacji f o jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z indukcyjności własnej cewki. Jeśli wartość indukcyjności jest duża, sprzeciw wobec zmiany przepływu prądu jest większy, a co za tym idzie, czas potrzebny do zakończenia każdego cyklu będzie dłuższy, co oznacza, że ​​okres będzie dłuższy, a częstotliwość mniejsza.

Matematycznie, częstotliwość,

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

Łącząc oba powyższe równania,

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

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

Powyższe równanie, chociaż wskazuje częstotliwość wyjściową, jest zgodne z natural frequency lub resonance frequency obwodu zbiornika.

Obwód oscylatora to kompletny zestaw wszystkich części obwodu, który pomaga wytwarzać oscylacje. Te oscylacje powinny się utrzymać i powinny być niewytłumione, jak omówiono wcześniej. Spróbujmy przeanalizować praktyczny obwód oscylatora, aby lepiej zrozumieć, jak działa obwód oscylatora.

Praktyczny obwód oscylatora

Praktyczny obwód oscylatora składa się z obwodu zbiornika, wzmacniacza tranzystorowego i obwodu sprzężenia zwrotnego. Poniższy schemat obwodu przedstawia rozmieszczenie praktycznego oscylatora.

Omówmy teraz części tego praktycznego obwodu oscylatora.

  • Tank Circuit - Obwód zbiornika składa się z indukcyjności L połączonej równolegle z kondensatorem C. Wartości tych dwóch składowych określają częstotliwość obwodu oscylatora i dlatego nazywa się to jakoFrequency determining circuit.

  • Transistor Amplifier- Wyjście obwodu zbiornika jest połączone z obwodem wzmacniacza, dzięki czemu oscylacje wytwarzane przez obwód zbiornika są tutaj wzmacniane. Stąd moc wyjściowa tych oscylacji jest zwiększana przez wzmacniacz.

  • Feedback Circuit- Zadaniem obwodu sprzężenia zwrotnego jest przekazanie części energii wyjściowej do obwodu LC w odpowiedniej fazie. To sprzężenie zwrotne jest dodatnie w oscylatorach, a ujemne we wzmacniaczach.

Stabilność częstotliwości oscylatora

Stabilność częstotliwości oscylatora jest miarą jego zdolności do utrzymania stałej częstotliwości w długim przedziale czasu. Podczas pracy przez dłuższy okres czasu, częstotliwość oscylatora może odchylać się od poprzednio ustawionej wartości, zwiększając lub zmniejszając.

Zmiana częstotliwości oscylatora może wynikać z następujących czynników -

  • Punkt pracy używanego urządzenia aktywnego, takiego jak BJT lub FET, powinien leżeć w obszarze liniowym wzmacniacza. Jego odchylenie wpłynie na częstotliwość oscylatora.

  • Zależność temperaturowa wydajności elementów obwodu wpływa na częstotliwość oscylatora.

  • Zmiany napięcia zasilania DC przyłożonego do aktywnego urządzenia powodują przesunięcie częstotliwości oscylatora. Można tego uniknąć, stosując regulowane źródło zasilania.

  • Zmiana obciążenia wyjściowego może spowodować zmianę współczynnika Q obwodu zbiornika, powodując w ten sposób zmianę częstotliwości wyjściowej oscylatora.

  • Obecność pojemności międzyelementowych i pojemności rozproszonych wpływa na częstotliwość wyjściową oscylatora, a tym samym na stabilność częstotliwości.

Kryterium Barkhausena

Posiadając dotychczasową wiedzę, zrozumieliśmy, że praktyczny obwód oscylatora składa się z obwodu zbiornika, obwodu wzmacniacza tranzystorowego i obwodu sprzężenia zwrotnego. Więc spróbujmy teraz odświeżyć koncepcję wzmacniaczy ze sprzężeniem zwrotnym, aby uzyskać wzmocnienie wzmacniaczy ze sprzężeniem zwrotnym.

Zasada działania wzmacniacza sprzężenia zwrotnego

Wzmacniacz sprzężenia zwrotnego zazwyczaj składa się z dwóch części. Oni sąamplifier i feedback circuit. Obwód sprzężenia zwrotnego zwykle składa się z rezystorów. Koncepcję wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym można zrozumieć na poniższym rysunku.

Na powyższym rysunku wzmocnienie wzmacniacza jest przedstawione jako A. Wzmocnienie wzmacniacza to stosunek napięcia wyjściowego Vo do napięcia wejściowego V i . Sieć sprzężenia zwrotnego wydziela napięcie V f = β V o z wyjścia V o wzmacniacza.

Napięcie to dodaje się do dodatniego sprzężenia zwrotnego i odejmuje ujemnego sprzężenia zwrotnego, na podstawie napięcia sygnału V s .

Aby uzyskać pozytywne opinie,

V i = V s + V f = V s + β V o

Wielkość β = V f / V o nazywana jest stosunkiem sprzężenia zwrotnego lub ułamkiem sprzężenia zwrotnego.

Wyjście V o musi być równe napięciu wejściowemu (V s + βV o ) pomnożonemu przez wzmocnienie A wzmacniacza.

W związku z tym,

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

Lub

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

Lub

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

W związku z tym

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

Niech A f będzie ogólnym wzmocnieniem (wzmocnieniem ze sprzężeniem zwrotnym) wzmacniacza. Jest to definiowane jako stosunek napięcia wyjściowego V o do przyłożonego napięcia sygnałowego V s , tj.

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

Z powyższych dwóch równań możemy zrozumieć, że równanie wzmocnienia wzmacniacza sprzężenia zwrotnego z dodatnim sprzężeniem zwrotnym jest podane przez

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

Gdzie jest feedback factor albo loop gain.

Jeśli Aβ = 1, A f = ∞. W ten sposób wzmocnienie staje się nieskończone, tj. Wyjście jest bez żadnego sygnału wejściowego. Innymi słowy, wzmacniacz działa jako oscylator.

Warunek Aβ = 1 jest nazywany jako Barkhausen Criterion of oscillations. Jest to bardzo ważny czynnik, o którym należy zawsze pamiętać w koncepcji oscylatorów.

Oscylatory obwodów strojonych to obwody wytwarzające oscylacje za pomocą obwodów strojenia. Obwody strojenia składają się z indukcyjności L i kondensatora C. Są one również znane jakoLC oscillators, resonant circuit oscillators lub tank circuit oscillators.

Oscylatory z dostrojonym obwodem są używane do wytwarzania sygnału wyjściowego o częstotliwościach w zakresie od 1 MHz do 500 MHz, stąd są one również znane jako R.F. Oscillators. Jako wzmacniacz z dostrojonymi oscylatorami obwodu używany jest BJT lub FET. Za pomocą wzmacniacza i obwodu zbiornika LC możemy sprzężać sygnał z odpowiednią amplitudą i fazą, aby utrzymać oscylacje.

Rodzaje strojonych oscylatorów obwodów

Większość oscylatorów stosowanych w nadajnikach i odbiornikach radiowych to oscylatory typu LC. W zależności od sposobu wykorzystania sprzężenia zwrotnego w obwodzie, oscylatory LC dzielą się na następujące typy.

  • Tuned-collector or Armstrong Oscillator- Wykorzystuje indukcyjne sprzężenie zwrotne z kolektora tranzystora do bazy. Obwód LC znajduje się w obwodzie kolektora tranzystora.

  • Tuned base Oscillator- Wykorzystuje indukcyjne sprzężenie zwrotne. Ale obwód LC jest w obwodzie podstawowym.

  • Hartley Oscillator - Wykorzystuje indukcyjne sprzężenie zwrotne.

  • Colpitts Oscillator - Wykorzystuje pojemnościowe sprzężenie zwrotne.

  • Clapp Oscillator - Wykorzystuje pojemnościowe sprzężenie zwrotne.

Omówimy teraz szczegółowo wszystkie wyżej wymienione oscylatory LC.

Dostrojony oscylator kolektora

Nazywa się to strojonymi oscylatorami kolektora, ponieważ strojony obwód jest umieszczony w kolektorze wzmacniacza tranzystorowego. PołączenieL i C tworzą obwód strojony lub obwód określający częstotliwość.

Budowa

Rezystory R 1 , R 2 i R E służą do zapewnienia polaryzacji prądu stałego tranzystora. Kondensatory C E i C są kondensatorami obejściowymi. Wtórny transformator zapewnia napięcie sprzężenia zwrotnego prądu przemiennego, które pojawia się na złączu baza-emiter R 1 i R 2 jest na uziemieniu prądu przemiennego z powodu kondensatora obejściowego C. W przypadku braku kondensatora część napięcia indukowana wtórnym transformatora spadnie całej R 2 , zamiast całkowicie przechodząc do wejścia tranzystora.

Ponieważ tranzystor skonfigurowany w CE zapewnia przesunięcie fazowe o 180 o, transformator zapewnia kolejne przesunięcie fazowe o 180 o , co powoduje przesunięcie fazowe o 360 o między napięciem wejściowym i wyjściowym. Poniższy schemat obwodu przedstawia rozmieszczenie dostrojonego obwodu kolektora.

Operacja

Po podaniu zasilania prąd kolektora zaczyna wzrastać i następuje ładowanie kondensatora C. Gdy kondensator jest w pełni naładowany, rozładowuje się przez indukcyjność L 1 . Teraz wytwarzane są oscylacje. Oscylacje te indukują pewne napięcie w uzwojeniu wtórnym L 2 . Częstotliwość napięcia indukowanego w uzwojeniu wtórnym jest taka sama jak w obwodzie zbiornika, a jej wielkość zależy od liczby zwojów uzwojenia wtórnego i sprzężenia między obydwoma uzwojeniami.

Napięcie na L 2 jest przykładane między bazą a emiterem i pojawia się w postaci wzmocnionej w obwodzie kolektora, przezwyciężając w ten sposób straty w obwodzie zbiornika. Liczba zwojów L 2 i sprzężenia między L 1 i L 2 jest tak dobrana, że ​​oscylacje na L 2 są wzmacniane do poziomu wystarczającego do dostarczenia strat do obwodu zbiornika.

Dostrojone oscylatory kolektora są szeroko stosowane jako local oscillator w odbiornikach radiowych.

Dostrojony oscylator podstawowy

Nazywa się tak strojonymi oscylatorami bazowymi, ponieważ strojony obwód jest umieszczony w podstawie wzmacniacza tranzystorowego. PołączenieL i C tworzą obwód strojony lub obwód określający częstotliwość.

Budowa

Rezystory R 1 , R 2 i R E służą do zapewnienia polaryzacji prądu stałego tranzystora. Równoległe połączenie R e i C e w obwodzie emiter jest układ stabilizujący. C C to kondensator blokujący. Kondensatory C E i C są kondensatorami obejściowymi. Cewka pierwotna L i cewka wtórna L 1 transformatora RF zapewniają wymagane sprzężenie zwrotne do obwodów kolektora i podstawy.

Ponieważ tranzystor skonfigurowany w CE zapewnia przesunięcie fazowe o 180 o, transformator zapewnia kolejne przesunięcie fazowe o 180 o , co powoduje przesunięcie fazowe o 360 o między napięciem wejściowym i wyjściowym. Poniższy schemat obwodu pokazuje rozmieszczenie dostrojonego obwodu podstawowego oscylatora.

Operacja

Po włączeniu obwodu prąd kolektora zaczyna rosnąć. Ponieważ kolektor jest podłączony do cewki L 1 , prąd ten wytwarza wokół niego pewne pole magnetyczne. To indukuje napięcie w cewce obwodu dostrojonego L. Napięcie sprzężenia zwrotnego powoduje wzrost napięcia podstawowego emitera i prądu podstawowego. Uzyskuje się w ten sposób dalszy wzrost prądu kolektora i cykl trwa aż do nasycenia prądu kolektora. W międzyczasie kondensator jest w pełni naładowany.

Gdy prąd kolektora osiągnie poziom nasycenia, nie ma napięcia zwrotnego w L. Ponieważ kondensator jest w pełni naładowany, zaczyna się rozładowywać przez L. Zmniejsza to odchylenie podstawy emitera, a tym samym I B i prąd kolektora również spada. Zanim prąd kolektora osiągnie wartość odcięcia, kondensator C jest w pełni naładowany z przeciwną polaryzacją. Gdy tranzystor się wyłącza, kondensator C zaczyna rozładowywać się przez L. Zwiększa to odchylenie bazy emitera. W rezultacie wzrasta prąd kolektora.

Cykl powtarza się, dopóki dostarczana jest wystarczająca ilość energii meet the lossesw obwodzie LC. Częstotliwość oscylacji jest równa częstotliwości rezonansowej obwodu LC.

Wada

Główny drawbackObwód oscylatora ze strojoną podstawą polega na tym, że ze względu na niską rezystancję podstawa-emiter, która pojawia się w boczniku z obwodem strojonym, obwód zbiornika zostaje obciążony. Zmniejsza to jego Q, co z kolei powoduje dryft częstotliwości oscylatora. W ten sposób stabilność pogarsza się. Z tego powodu dostrojony obwód jestnot zwykle connected in base obwód.

Bardzo popularny local oscillator obwód, który jest najczęściej używany w radio receivers jest Hartley Oscillatorobwód. Szczegóły konstrukcyjne i działanie oscylatora Hartley są omówione poniżej.

Budowa

Na schemacie obwodu oscylatora Hartley przedstawionym poniżej rezystory R 1 , R 2 i R e zapewnienia warunków niezbędnych do obwodu polaryzacji. Kondensator C e zapewnia uziemienie prądu przemiennego, zapewniając w ten sposób jakąkolwiek degenerację sygnału. Zapewnia to również stabilizację temperatury.

Kondensatory C c i C b służą do blokowania prądu stałego i zapewnienia ścieżki prądu przemiennego. Dławik częstotliwości radiowej (RFC) zapewnia bardzo wysoką impedancję dla prądów o wysokiej częstotliwości, co oznacza, że ​​zwiera dla prądu stałego i otwiera się dla prądu przemiennego.Dzięki temu zapewnia obciążenie DC dla kolektora i utrzymuje prąd zmienny poza źródłem zasilania prądu stałego

Obwód zbiornika

Sieć wyznaczająca częstotliwość jest równoległym obwodem rezonansowym, który składa się z cewek indukcyjnych L 1 i L 2 wraz ze zmiennym kondensatorem C. Złącza L 1 i L 2 są uziemione. Cewka L 1 posiada jeden koniec połączony z podstawą za pośrednictwem C C , a drugi emiter poprzez C e . Tak więc L 2 jest w obwodzie wyjściowym. Obie cewki L 1 i L 2 są sprzężone indukcyjnie i razem tworząAuto-transformer.

Poniższy schemat obwodu przedstawia układ oscylatora Hartley. Obwód zbiornika jestshunt fedw tym obwodzie. Może to być również plikseries-fed.

Operacja

Gdy podane jest zasilanie z kolektora, w obwodzie oscylacyjnym lub w zbiorniku wytwarzany jest prąd przejściowy. Prąd oscylacyjny w obwodzie zbiornika wytwarza napięcie przemienne na L 1 .

Plik auto-transformerwykonane przez sprzężenie indukcyjne L 1 i L 2 pomaga w określeniu częstotliwości i ustala sprzężenie zwrotne. Ponieważ tranzystor skonfigurowany w CE zapewnia przesunięcie fazowe o 180 o, transformator zapewnia kolejne przesunięcie fazowe o 180 o , co powoduje przesunięcie fazowe o 360 o między napięciem wejściowym i wyjściowym.

To sprawia, że ​​sprzężenie zwrotne jest dodatnie, co jest istotne dla stanu oscylacji. Kiedyloop gain |βA| of the amplifier is greater than one, oscylacje są utrzymywane w obwodzie.

Częstotliwość

Równanie dla frequency of Hartley oscillator podano jako

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

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

Tutaj, LT jest całkowitą skumulowaną indukcyjnością; L1 i L2stanowią indukcyjności 1 st i 2 nd cewki; iM reprezentuje indukcyjność wzajemną.

Mutual inductance oblicza się, biorąc pod uwagę dwa zwoje.

Zalety

Zalety oscylatora Hartley to

  • Zamiast używać dużego transformatora, pojedyncza cewka może służyć jako autotransformator.

  • Częstotliwość można zmieniać, stosując zmienny kondensator lub zmienną cewkę indukcyjną.

  • Wystarczy mniejsza liczba komponentów.

  • Amplituda sygnału wyjściowego pozostaje stała w ustalonym zakresie częstotliwości.

Niedogodności

Wady oscylatora Hartley to

  • Nie może to być oscylator niskiej częstotliwości.
  • Występują zniekształcenia harmoniczne.

Aplikacje

Zastosowania oscylatora Hartley to

  • Służy do wytwarzania fali sinusoidalnej o żądanej częstotliwości.
  • Używany głównie jako lokalny oscylator w odbiornikach radiowych.
  • Jest również używany jako oscylator RF.

Oscylator Colpittsa wygląda tak samo jak oscylator Hartleya, ale cewki i kondensatory są zamienione między sobą w obwodzie zbiornika. Szczegóły konstrukcyjne i działanie oscylatora colpitts są omówione poniżej.

Budowa

Przyjrzyjmy się najpierw schematowi obwodu oscylatora Colpittsa.

Rezystory R 1 , R 2 i R e zapewnienia warunków niezbędnych do obwodu polaryzacji. Kondensator C e zapewnia uziemienie prądu przemiennego, zapewniając w ten sposób jakąkolwiek degenerację sygnału. Zapewnia to również stabilizację temperatury.

Kondensatory C c i C b służą do blokowania prądu stałego i zapewnienia ścieżki prądu przemiennego. Dławik częstotliwości radiowej (RFC) oferuje bardzo wysoką impedancję dla prądów o wysokiej częstotliwości, co oznacza, że ​​zwiera dla prądu stałego i otwiera się dla prądu przemiennego. W związku z tym zapewnia obciążenie DC dla kolektora i utrzymuje prąd zmienny z dala od źródła zasilania prądu stałego.

Obwód zbiornika

Sieć określająca częstotliwość jest równoległym obwodem rezonansowym, który składa się ze zmiennych kondensatorów C 1 i C 2 wraz z cewką indukcyjną L. Złącza C 1 i C 2 są uziemione. Kondensator C 1 posiada jeden koniec połączony z podstawą za pośrednictwem C C , a drugi emiter poprzez C e . napięcie rozwijane na C 1 zapewnia regeneracyjne sprzężenie zwrotne wymagane dla trwałych oscylacji.

Operacja

Gdy podane jest zasilanie z kolektora, w obwodzie oscylacyjnym lub w zbiorniku wytwarzany jest prąd przejściowy. Prąd oscylacyjny w obwodzie zbiornika wytwarza napięcie AC w całym C 1 , które są stosowane do złącza baza emiter i pojawiają się w postaci wzmacniany straty w obwodzie kolektora i dostarczania do obwodu zbiornika.

Jeżeli w dowolnym momencie zacisk 1 ma potencjał dodatni w stosunku do zacisku 3, wówczas zacisk 2 będzie miał w tej chwili potencjał ujemny w odniesieniu do zacisku 3, ponieważ zacisk 3 jest uziemiony. Dlatego punkty 1 i 2 są przesunięte w fazie o 180 o .

Ponieważ tranzystor skonfigurowany w CE zapewnia przesunięcie fazowe o 180 o , powoduje przesunięcie fazowe o 360 o pomiędzy napięciem wejściowym i wyjściowym. Dlatego sprzężenie zwrotne jest odpowiednio fazowane, aby wytworzyć ciągłe niewytłumione oscylacje. Kiedyloop gain |βA| of the amplifier is greater than one, oscillations are sustained w obwodzie.

Częstotliwość

Równanie dla frequency of Colpitts oscillator podano jako

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

C T jest całkowitą pojemnością C 1 i C 2 połączonych szeregowo.

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

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

Zalety

Zalety oscylatora Colpitts są następujące -

  • Oscylator Colpittsa może generować sygnały sinusoidalne o bardzo wysokich częstotliwościach.
  • Może wytrzymać wysokie i niskie temperatury.
  • Stabilność częstotliwości jest wysoka.
  • Częstotliwość można zmieniać, używając obu zmiennych kondensatorów.
  • Wystarczy mniejsza liczba komponentów.
  • Amplituda sygnału wyjściowego pozostaje stała w ustalonym zakresie częstotliwości.

Oscylator Colpitts został zaprojektowany tak, aby wyeliminować wady oscylatora Hartley i wiadomo, że nie ma on żadnych szczególnych wad. Stąd istnieje wiele zastosowań oscylatora colpitts.

Aplikacje

Zastosowania oscylatora Colpittsa są następujące -

  • Oscylator Colpittsa może być używany jako generator fal sinusoidalnych wysokiej częstotliwości.
  • Może być używany jako czujnik temperatury z powiązanymi obwodami.
  • Używany głównie jako lokalny oscylator w odbiornikach radiowych.
  • Jest również używany jako oscylator RF.
  • Jest również używany w aplikacjach mobilnych.
  • Posiada wiele innych komercyjnych zastosowań.

Kolejny oscylator będący zaawansowaną wersją oscylatora Colpittsa to Clapp Oscillator. Ten obwód został zaprojektowany przez wprowadzenie kilku zmian w oscylatorze Colpittsa.

Obwód różni się od oscylatora Colpittsa tylko pod jednym względem; zawiera jeden dodatkowy kondensator (C 3 ) połączony szeregowo z cewką. Dodatek kondensatora (C 3 ) poprawia stabilność częstotliwości i eliminuje wpływ parametrów tranzystora i pojemności rozproszonych.

Poniższy schemat obwodu przedstawia rozmieszczenie a transistor Clapp oscillator.

Działanie obwodu oscylatora Clappa jest takie samo jak oscylatora Colpittsa. Częstotliwość oscylatora jest określona zależnością,

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

Gdzie

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

Zwykle wartość C3 jest znacznie mniejszy niż C1 i C2. W wyniku tegoC jest w przybliżeniu równa C3. Dlatego częstotliwość oscylacji,

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

Rozumie się, że oscylator Clappa jest podobny do oscylatora Colpittsa, jednak różnią się one sposobem rozmieszczenia indukcyjności i pojemności. Chociaż stabilność częstotliwości jest dobra, może być zmienna w oscylatorze Clappa.

Oscylator Clappa jest czasami preferowany w stosunku do oscylatora Colpittsa do budowy oscylatora o zmiennej częstotliwości. Oscylatory Clappa są używane w obwodach strojenia odbiornika jako oscylator częstotliwości.

Jedną z ważnych cech oscylatora jest to, że zastosowana energia sprzężenia zwrotnego powinna znajdować się we właściwej fazie w obwodzie zbiornika. W omawianych dotychczas obwodach oscylatora zastosowano kombinację cewki indukcyjnej (L) i kondensatora (C) w obwodzie zbiornika lub obwodzie określającym częstotliwość.

Zaobserwowaliśmy, że kombinacja LC w oscylatorach zapewnia przesunięcie fazowe o 180 °, a tranzystor w konfiguracji CE zapewnia przesunięcie fazowe o 180 °, co daje w sumie przesunięcie fazowe o 360 o, tak że różnica fazy jest zerowa.

Wady obwodów LC

Chociaż mają niewiele aplikacji, rozszerzenie LC obwody mają kilka drawbacks Jak na przykład

  • Niestabilność częstotliwości
  • Kształt fali jest słaby
  • Nie można używać do niskich częstotliwości
  • Cewki indukcyjne są nieporęczne i drogie

Mamy inny rodzaj obwodów oscylatorów, które powstają poprzez wymianę cewek na rezystory. W ten sposób poprawia się stabilność częstotliwości i uzyskuje się przebieg dobrej jakości. Te oscylatory mogą również wytwarzać niższe częstotliwości. Ponadto obwód nie staje się ani nieporęczny, ani drogi.

Wszystkie wady LC W ten sposób eliminowane są obwody oscylatora RCobwody oscylatora. Stąd potrzeba obwodów oscylatora RC. Są one również nazywane jakoPhase–shift Oscillators.

Zasada działania oscylatorów z przesunięciem fazowym

Wiemy, że napięcie wyjściowe obwodu RC dla wejścia fali sinusoidalnej prowadzi do napięcia wejściowego. Kąt fazowy, o jaki prowadzi, jest określony przez wartość zastosowanych w obwodzie elementów żelbetowych. Poniższy schemat obwodu przedstawia pojedynczą sekcję sieci RC.

Napięcie wyjściowe V 1 'na rezystorze R prowadzi do przyłożonego napięcia wejściowego V 1 o pewien kąt fazowy ɸ o . Gdyby R zostało zredukowane do zera, V 1 'doprowadzi V 1 o 90 o, tj. ɸ o = 90 o .

Jednak ustawienie R na zero byłoby niewykonalne, ponieważ prowadziłoby to do braku napięcia na R. Dlatego w praktyce R zmienia się do takiej wartości, że V 1 'prowadzi do V 1 o 60 o . Poniższy schemat obwodu przedstawia trzy sekcje sieci RC.

Każda sekcja powoduje przesunięcie fazowe o 60 o . W konsekwencji powstaje całkowite przesunięcie fazowe o 180 o , tj. Napięcie V 2 przewodzi napięcie V 1 o 180 o .

Obwód oscylatora z przesunięciem fazowym

Obwód oscylatora, który wytwarza falę sinusoidalną za pomocą sieci z przesunięciem fazowym, nazywany jest obwodem oscylatora z przesunięciem fazowym. Szczegóły konstrukcyjne i działanie obwodu oscylatora z przesunięciem fazowym podano poniżej.

Budowa

Obwód oscylatora z przesunięciem fazowym składa się z pojedynczej sekcji wzmacniacza tranzystorowego i sieci RC z przesunięciem fazowym. Sieć przesunięcia fazowego w tym obwodzie składa się z trzech sekcji RC. Przy częstotliwości rezonansowej f o , przesunięcie fazowe w każdej sekcji RC wynosi 60 o, tak więc całkowite przesunięcie fazowe wytwarzane przez sieć RC wynosi 180 o .

Poniższy schemat obwodu pokazuje rozmieszczenie oscylatora przesunięcia fazowego RC.

Częstotliwość oscylacji jest podana przez

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

Gdzie

$$R_1 = R_2 = R_3 = R$$

$$C_1 = C_2 = C_3 = C$$

Operacja

Włączony obwód oscyluje z częstotliwością rezonansową f o . Wyjście E o wzmacniacza jest zwracane do sieci sprzężenia zwrotnego RC. Ta sieć wytwarza przesunięcie fazowe o 180 o, a na jej wyjściu pojawia się napięcie E i . To napięcie jest doprowadzane do wzmacniacza tranzystorowego.

Zastosowana opinia będzie

$$m = E_i/E_o$$

Sprzężenie zwrotne jest w prawidłowej fazie, podczas gdy wzmacniacz tranzystorowy w konfiguracji CE wytwarza przesunięcie fazowe o 180 o . Przesunięcie fazowe wytwarzane przez sieć i tranzystor sumuje się, tworząc przesunięcie fazowe wokół całej pętli, które wynosi 360 o .

Zalety

Zalety oscylatora przesunięcia fazowego RC są następujące -

  • Nie wymaga transformatorów ani cewek.
  • Może być używany do wytwarzania bardzo niskich częstotliwości.
  • Obwód zapewnia dobrą stabilność częstotliwości.

Niedogodności

Wady oscylatora przesunięcia fazowego RC są następujące -

  • Rozpoczęcie oscylacji jest trudne, ponieważ sprzężenie zwrotne jest niewielkie.
  • Produkcja jest niewielka.

Innym typem popularnego oscylatora częstotliwości audio jest obwód oscylatora mostka Wien. Jest to głównie używane ze względu na swoje ważne cechy. Ten obwód jest wolny odcircuit fluctuations i ambient temperature.

Główną zaletą tego oscylatora jest to, że częstotliwość można zmieniać w zakresie od 10 Hz do około 1 MHz, podczas gdy w oscylatorach RC częstotliwość nie zmienia się.

Budowa

Konstrukcję obwodu oscylatora mostu wiedeńskiego można wyjaśnić poniżej. Jest to wzmacniacz dwustopniowy z mostkiem RC. Obwód mostkowy ma ramiona R 1 C 1 , R 3 , R 2 C 2 i lampę wolframową L p . Rezystancja R 3 i lampa L p służą do stabilizacji amplitudy wyjścia.

Poniższy schemat obwodu pokazuje rozmieszczenie oscylatora mostka Wien.

Tranzystor T 1 służy jako oscylator i wzmacniacz, podczas gdy drugi tranzystor T 2 służy jako falownik. Praca falownika zapewnia przesunięcie fazowe o 180 o . Obwód ten zapewnia dodatnie sprzężenie zwrotne przez R 1 C 1 , C 2 R 2 do tranzystora T 1 i ujemne sprzężenie zwrotne przez dzielnik napięcia do wejścia tranzystora T 2 .

Częstotliwość oscylacji jest określona przez szeregowy element R 1 C 1 i równoległy element R 2 C 2 mostka.

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

Gdy R 1 = R 2 i C 1 = C 2 = C

Następnie,

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

Teraz możemy uprościć powyższy obwód w następujący sposób -

Oscylator składa się z dwóch stopni wzmacniacza sprzężonego z RC i sieci sprzężenia zwrotnego. Napięcie na równoległej kombinacji R i C jest podawane na wejście wzmacniacza 1. Przesunięcie fazowe netto między dwoma wzmacniaczami wynosi zero.

Zwykły pomysł połączenia wyjścia wzmacniacza 2 ze wzmacniaczem 1 w celu zapewnienia regeneracji sygnału dla oscylatora nie ma tutaj zastosowania, ponieważ wzmacniacz 1 będzie wzmacniał sygnały w szerokim zakresie częstotliwości, a zatem bezpośrednie sprzężenie skutkowałoby słabą stabilnością częstotliwości. Dodając sieć sprzężenia zwrotnego mostka Wien, oscylator staje się wrażliwy na określoną częstotliwość, a tym samym uzyskuje się stabilność częstotliwości.

Operacja

Gdy obwód jest włączony, obwód mostkowy wytwarza oscylacje o częstotliwości podanej powyżej. Oba tranzystory wytwarzają całkowite przesunięcie fazowe o 360 o, co zapewnia prawidłowe dodatnie sprzężenie zwrotne. Ujemne sprzężenie zwrotne w obwodzie zapewnia stałą moc wyjściową. Osiąga się to dzięki wrażliwej na temperaturę lampie wolframowej L p . Jego rezystancja rośnie wraz z prądem.

Jeśli amplituda wyjścia wzrasta, wytwarzany jest większy prąd i uzyskuje się więcej ujemnego sprzężenia zwrotnego. Z tego powodu dane wyjściowe wróciłyby do pierwotnej wartości. Natomiast jeśli produkcja ma tendencję do spadku, nastąpiłoby działanie odwrotne.

Zalety

Zalety oscylatora mostu Wien są następujące -

  • Obwód zapewnia dobrą stabilność częstotliwości.

  • Zapewnia stałą wydajność.

  • Obsługa obwodu jest dość łatwa.

  • Całkowite wzmocnienie jest wysokie dzięki dwóm tranzystorom.

  • Częstotliwość oscylacji można łatwo zmienić.

  • Stabilność amplitudy napięcia wyjściowego można dokładniej utrzymać, zastępując R 2 termistorem.

Niedogodności

Wady oscylatora mostu Wien są następujące -

  • Obwód nie może generować bardzo wysokich częstotliwości.

  • Do budowy obwodu potrzebne są dwa tranzystory i szereg elementów.

Ilekroć oscylator jest w ciągłej pracy, jego frequency stabilityzostanie dotknięty. Zachodzą zmiany w jego częstotliwości. Główne czynniki wpływające na częstotliwość oscylatora to

  • Wahania zasilania
  • Zmiany temperatury
  • Zmiany obciążenia lub rezystancji wyjściowej

W oscylatorach RC i LC wartości rezystancji, pojemności i indukcyjności zmieniają się wraz z temperaturą, a tym samym wpływa na częstotliwość. Aby uniknąć tego problemu, w oscylatorach stosuje się kryształy piezoelektryczne.

Zastosowanie kryształów piezoelektrycznych w równoległych obwodach rezonansowych zapewnia stabilność wysokiej częstotliwości w oscylatorach. Takie oscylatory nazywane są jakoCrystal Oscillators.

Oscylatory kwarcowe

Zasada działania oscylatorów kwarcowych zależy od Piezo electric effect. Naturalny kształt kryształu jest sześciokątny. Kiedy kryształowa płytka jest zakrzywiona prostopadle do osi X, nazywa się ją cięciem X, a gdy jest cięta wzdłuż osi Y, nazywa się ją cięciem Y.

Kryształ użyty w oscylatorze kwarcowym wykazuje właściwość zwaną właściwością piezoelektryczną. Spójrzmy więc na efekt piezoelektryczny.

Efekt piezoelektryczny

Kryształ wykazuje właściwość polegającą na tym, że po przyłożeniu naprężenia mechanicznego na jedną z powierzchni kryształu, różnica potencjałów powstaje na przeciwległych powierzchniach kryształu. I odwrotnie, gdy różnica potencjałów jest przyłożona do jednej z powierzchni, na pozostałych powierzchniach powstaje naprężenie mechaniczne. Jest to znane jakoPiezo electric effect.

Niektóre materiały krystaliczne, takie jak sól Rochelle, kwarc i turmalin, wykazują efekt piezoelektryczny i takie materiały nazywa się Piezo electric crystals. Kwarc jest najczęściej używanym kryształem piezoelektrycznym, ponieważ jest niedrogi i łatwo dostępny w naturze.

Kiedy kryształ piezoelektryczny jest poddawany działaniu odpowiedniego potencjału przemiennego, wibruje mechanicznie. Amplituda drgań mechanicznych osiąga maksimum, gdy częstotliwość napięcia przemiennego jest równa częstotliwości własnej kryształu.

Działanie kryształu kwarcu

Aby kryształ działał w obwodzie elektronicznym, kryształ jest umieszczany między dwiema metalowymi płytkami w postaci kondensatora. Quartzjest najczęściej używanym rodzajem kryształu ze względu na jego dostępność i silny charakter, a jednocześnie niedrogi. Napięcie przemienne jest przykładane równolegle do kryształu.

Układ obwodu kryształu kwarcu będzie taki, jak pokazano poniżej -

Jeśli przyłożone jest napięcie przemienne, kryształ zaczyna wibrować z częstotliwością przyłożonego napięcia. Jeśli jednak częstotliwość przyłożonego napięcia jest równa częstotliwości własnej kryształu,resonancezachodzi, a wibracje kryształu osiągają maksymalną wartość. Ta naturalna częstotliwość jest prawie stała.

Równoważny obwód kryształu

Jeśli spróbujemy przedstawić kryształ za pomocą równoważnego obwodu elektrycznego, musimy rozważyć dwa przypadki, tj. Kiedy wibruje i kiedy nie. Poniższe rysunki przedstawiają odpowiednio symbol i równoważny obwód elektryczny kryształu.

Powyższy obwód zastępczy składa się z szeregowego obwodu RLC połączonego równolegle z pojemnością C m . Kiedy kryształ zamontowany w poprzek źródła prądu przemiennego nie wibruje, jest to równoważne pojemności C m . Kiedy kryształ wibruje, działa jak dostrojony obwód RLC.

Pasmo przenoszenia

Odpowiedź częstotliwościowa kryształu jest taka, jak pokazano poniżej. Wykres przedstawia reaktancję (X L lub X C ) w funkcji częstotliwości (f). Jest oczywiste, że kryształ ma dwie blisko rozmieszczone częstotliwości rezonansowe.

Pierwszy z nich jest częstotliwość rezonansowa serii (F y ), który pojawia się, gdy reaktancja indukcyjności (L) wynosi do reaktancji pojemności C, w takim przypadku, impedancja równoważna układu jest równa rezystancji R i częstotliwość oscylacji jest określona zależnością,

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

Drugim z nich jest równoległy częstotliwości rezonansowe (f P ), która występuje, gdy reaktancja RLC gałęzi jest równa reaktancji kondensatora C m . Przy tej częstotliwości kryształ oferuje bardzo wysoką impedancję dla obwodu zewnętrznego, a częstotliwość oscylacji jest określona zależnością.

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

Gdzie

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

Wartość C m jest zwykle bardzo duża w porównaniu z C. Dlatego wartość C T jest w przybliżeniu równa C, a zatem szeregowa częstotliwość rezonansowa jest w przybliżeniu równa równoległej częstotliwości rezonansowej (tj. F s = f p ).

Obwód oscylatora kwarcowego

Obwód oscylatora kwarcowego może być zbudowany na wiele sposobów, jak kontrolowany kryształowo dostrojony oscylator kolektora, oscylator kwarcowy Colpittsa, oscylator kwarcowy Clapa itd. transistor pierce crystal oscillatorjest najczęściej używanym. Jest to obwód, który jest zwykle określany jako obwód oscylatora kwarcowego.

Poniższy schemat obwodu przedstawia rozmieszczenie oscylatora kwarcowego przebijającego tranzystor.

W tym obwodzie kryształ jest połączony jako element szeregowy w ścieżce sprzężenia zwrotnego od kolektora do podstawy. Rezystory R 1 , R 2 i R E zapewniają stabilizowany dzielnik napięcia obwód polaryzacji prądu stałego. Kondensator C E zapewnia obejście prądu przemiennego rezystora emitera, a cewka RFC (dławik częstotliwości radiowej) zapewnia odchylenie prądu stałego, jednocześnie oddzielając każdy sygnał prądu przemiennego w liniach zasilających od wpływu na sygnał wyjściowy. Kondensator sprzęgający C ma pomijalną impedancję przy częstotliwości roboczej obwodu. Ale blokuje wszelkie dc między kolektorem a podstawą.

Częstotliwość drgań obwodu jest określona przez szeregową częstotliwość rezonansową kryształu, a jej wartość jest określona zależnością,

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

Można zauważyć, że zmiany napięcia zasilania, parametrów urządzenia tranzystorowego itp. Nie mają wpływu na częstotliwość pracy obwodu, który jest stabilizowany przez kryształ.

Zalety

Zalety oscylatora kwarcowego są następujące -

  • Mają wysoki rząd stabilności częstotliwości.
  • Współczynnik jakości (Q) kryształu jest bardzo wysoki.

Niedogodności

Wady oscylatora kwarcowego są następujące -

  • Są delikatne i można je stosować w obwodach małej mocy.
  • Częstotliwości oscylacji nie można znacznie zmienić.

Stabilność częstotliwości oscylatora

Oczekuje się, że oscylator utrzyma swoją częstotliwość przez dłuższy czas bez żadnych zmian, tak aby uzyskać płynniejszą, czystą sinusoidę wyjściową dla działania obwodu. Stąd termin stabilność częstotliwości naprawdę ma duże znaczenie, jeśli chodzi o oscylatory, czy to sinusoidalne, czy niesinusoidalne.

Stabilność częstotliwości oscylatora definiuje się jako zdolność oscylatora do utrzymania wymaganej stałej częstotliwości w jak najdłuższym przedziale czasu. Spróbujmy omówić czynniki, które wpływają na tę stabilność częstotliwości.

Zmiana punktu pracy

Natrafiliśmy już na parametry tranzystora i dowiedzieliśmy się, jak ważny jest punkt pracy. Stabilność tego punktu pracy dla tranzystora używanego w obwodzie do wzmocnienia (BJT lub FET) jest bardziej rozważana.

Działanie używanego urządzenia aktywnego jest dostosowane do liniowej części jego charakterystyk. Punkt ten ulega przesunięciu ze względu na wahania temperatury, co wpływa na stabilność.

Wahania temperatury

Obwód zbiornika w obwodzie oscylatora zawiera różne elementy określające częstotliwość, takie jak rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne. Wszystkie ich parametry są zależne od temperatury. Zmiana temperatury wpływa na ich wartości. To powoduje zmianę częstotliwości obwodu oscylatora.

Ze względu na zasilanie

Zmiany w dostarczanej mocy również wpłyną na częstotliwość. Wahania zasilania prowadzą do zmian V cc . Wpłynie to na częstotliwość wytwarzanych oscylacji.

Aby tego uniknąć, zastosowano regulowany system zasilania. W skrócie nazywa się to RPS. Szczegóły dotyczące zasilacza regulowanego zostały szczegółowo omówione w rozdziale dotyczącym zasilania w tutorialu OBWODY ELEKTRONICZNE.

Zmiana obciążenia wyjściowego

Zmiany rezystancji wyjściowej lub obciążenia wyjściowego mają również wpływ na częstotliwość oscylatora. Po podłączeniu obciążenia zmienia się efektywna rezystancja obwodu zbiornika. W rezultacie zmienia się współczynnik Q obwodu strojonego LC. Powoduje to zmianę częstotliwości wyjściowej oscylatora.

Zmiany pojemności międzyelementowych

Pojemności międzyelementowe to pojemności, które powstają w materiałach złącza PN, takich jak diody i tranzystory. Są one rozwijane ze względu na ładunek obecny w nich podczas ich działania.

Kondensatory międzyelementowe ulegają zmianom z różnych powodów, takich jak temperatura, napięcie itp. Problem ten można rozwiązać, podłączając kondensator zalewający do uszkodzonego kondensatora międzyelementowego.

Wartość Q

Wartość Q (współczynnik jakości) musi być wysoka w oscylatorach. Wartość Q w strojonych oscylatorach determinuje selektywność. Ponieważ to Q jest wprost proporcjonalne do stabilności częstotliwości strojonego obwodu, wartość Q powinna być utrzymywana na wysokim poziomie.

Stabilność częstotliwości można matematycznie przedstawić jako:

$$S_w = d\theta/dw$$

Gdzie dθ jest przesunięciem fazowym wprowadzonym dla małej zmiany częstotliwości w częstotliwości znamionowej f r . Obwód dający większą wartość (dθ / dw) ma bardziej stabilną częstotliwość oscylacyjną.

Oscylator, który działa na ujemnej właściwości rezystancji, można określić jako oscylator o ujemnym oporze. Terminnegative resistanceodnosi się do stanu, w którym wzrost napięcia w dwóch punktach powoduje spadek prądu. Niektóre z urządzeń nieliniowych wykazują w pewnych warunkach ujemną właściwość oporności.

Własność ujemnego oporu

Przyjrzyjmy się zachowaniu, gdy napięcie jest przyłożone do nieliniowego urządzenia, które wykazuje ujemną właściwość rezystancji. Aby zrozumieć tę właściwość, przyjrzyjmy się poniższemu wykresowi, aby poznać zmiany napięcia i prądu.

Wraz ze wzrostem napięcia przewodzenia prąd szybko rośnie i rośnie aż do punktu szczytowego, zwanego as Peak Current, oznaczony przez IP. Napięcie w tym punkcie nazywa sięPeak Voltage, oznaczony przez VP. Ten punkt jest oznaczony przezAna powyższym wykresie. PunktA jest nazywany Peak Point.

Jeśli napięcie wzrośnie dalej VP, wtedy prąd zaczyna maleć. Zmniejsza się aż do punktu zwanego asValley Current, oznaczony przez IV. Napięcie w tym punkcie nazywa sięValley Voltage, oznaczony przez VV. Ten punkt jest oznaczony przezBna powyższym wykresie. PunktB jest nazywany Valley Point.

Stąd region między punktami A i wskaż B wskazuje Negative resistance region. Po osiągnięciu dolnego punktu i dalszym wzroście napięcia, prąd zaczyna wzrastać. Oznacza to, że obszar ujemnej rezystancji został zakończony, a urządzenie zachowuje się normalnie zgodnie z prawem Ohma. Ten region nazywa się asPositive Resistance region, na co wskazuje punkt B wskazać C na wykresie.

Niewiele oscylatorów wykazuje ujemną właściwość oporu podczas pracy. Oscylator jednozłączowy jest najlepszym przykładem oscylatora niesinusoidalnego (wytwarza przebieg przemiatania jako wyjście), który wykazuje ujemną właściwość rezystancji, podczas gdy oscylator diodowy Tunnel jest najlepszym przykładem oscylatora sinusoidalnego, który wykazuje ujemną właściwość rezystancji.

W następnym rozdziale tego samouczka omówimy więcej oscylatorów diod tunelowych.

Obwód oscylatora zbudowany przy użyciu diody tunelowej nazywany jest oscylatorem diody tunelowej. Jeśli stężenie zanieczyszczeń w normalnym złączu PN jest znacznie zwiększone, to jest toTunnel diodejest uformowany. Jest również znany jakoEsaki diode, po jej wynalazcy.

Dioda tunelowa

Gdy stężenie zanieczyszczeń w diodzie wzrasta, szerokość obszaru zubożenia maleje, zwiększając dodatkową siłę do nośników ładunku, aby przecięły złącze. Kiedy to stężenie jest dalej zwiększane, z powodu mniejszej szerokości obszaru zubożenia i zwiększonej energii nośników ładunku, przenikają one przez barierę potencjału, zamiast się po niej wspinać. Ta penetracja może być rozumiana jakoTunneling stąd nazwa, Tunnel diode.

Poniższy obraz pokazuje, jak wygląda praktyczna dioda tunelowa.

Symbole diody tunelowej są pokazane poniżej.

Aby uzyskać więcej informacji na temat diod tunelowych, zapoznaj się z naszym samouczkiem dotyczącym podstawowej elektroniki .

Oscylator diodowy tunelowy

Dioda tunelowa pomaga w generowaniu sygnału o bardzo wysokiej częstotliwości, prawie 10GHz. Praktyczny obwód diody tunelowej może składać się z przełącznika S, rezystora R i źródła zasilania V, połączonych z obwodem zbiornika przez diodę tunelową D.

Pracujący

Wartość dobranego rezystora powinna być tak dobrana, aby obciążała diodę tunelową w połowie obszaru ujemnej rezystancji. Poniższy rysunek przedstawia praktyczny obwód oscylatora diody tunelowej.

W tym układzie, rezystor R 1 ustawia prawidłowe odchylający do diody i rezystora R 2 ustawia odpowiedni poziom prądu obwodu rezonansowego. Równoległe połączenie rezystora R p cewki indukcyjnej L i kondensatora C tworzy obwód zbiornika, który rezonuje z wybraną częstotliwością.

Gdy wyłącznik S jest zamknięty, prąd w obwodzie narasta natychmiast w kierunku wartości stałej, której wartość określa wartość rezystora R i rezystancja diody. Jednakże, gdy spadek napięcia na diodzie tunelowej V D przekracza napięcie szczytowe V p , dioda tunelowa jest wprowadzana w obszar ujemnej rezystancji.

W tym obszarze prąd zaczyna się zmniejszać, aż napięcie V D zrówna się z napięciem V v . W tym punkcie dalszy wzrost napięcia V D steruje diody do przymusowego regionu oporu. W wyniku tego prąd w obwodzie ma tendencję do wzrostu. Ten wzrost obwodu zwiększy spadek napięcia na rezystorze R, co zmniejszy napięcie VD .

Charakterystyka VI

Poniższy wykres przedstawia VI charakterystykę diody tunelowej -

Krzywa AB wskazuje ujemny obszar oporu, gdy rezystancja maleje, gdy napięcie rośnie. Oczywiste jest, że punkt Q jest ustawiony w środku krzywej AB. Punkt Q może przemieszczać się między punktami A i B podczas pracy obwodu. Punkt A jest nazywanypeak point i nazywa się punkt B valley point.

Podczas pracy, po dojściu do punktu B, wzrost prądu obwodu zwiększa spadek napięcia na rezystorze R, które obniżają napięcie V D . Powoduje to powrót diody do ujemnego obszaru rezystancji.

Spadek napięcia V D jest równy napięciu V P i kończy to jeden cykl pracy. Kontynuacja tych cykli powoduje ciągłe oscylacje, które dają sygnał sinusoidalny.

Zalety

Zalety oscylatora z diodą tunelową są następujące -

  • Ma duże prędkości przełączania.
  • Może obsługiwać wysokie częstotliwości.

Niedogodności

Wady tunelowego oscylatora diodowego są następujące -

  • Są to urządzenia małej mocy.
  • Diody tunelowe są trochę drogie.

Aplikacje

Zastosowania oscylatora diody tunelowej są następujące -

  • Jest stosowany w oscylatorach relaksacyjnych.
  • Jest stosowany w oscylatorach mikrofalowych.
  • Jest również używany jako ultra szybkie urządzenie przełączające.
  • Jest używany jako urządzenie pamięci logicznej.

Po omówieniu wszystkich głównych obwodów oscylatorów sinusoidalnych należy zauważyć, że istnieje wiele oscylatorów, takich jak te wspomniane do tej pory. Oscylatory, które wytwarzają przebiegi sinusoidalne, są oscylatorami sinusoidalnymi, jak omówiono.

Oscylatory wytwarzające przebiegi niesinusoidalne (prostokątne, przeciągnięte, trójkątne itp.) Są oscylatorami niesinusoidalnymi, które szczegółowo omówiliśmy w naszym samouczku dotyczącym obwodów impulsowych .