อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ - ออสซิลเลเตอร์
ออสซิลเลเตอร์เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างการสั่นแบบไซน์ที่เรียกว่า sinusoidal oscillator. จะแปลงพลังงานอินพุตจากแหล่งกระแสตรงเป็นพลังงานเอาท์พุต AC ของรูปคลื่นเป็นระยะที่ความถี่เฉพาะและเป็นที่ทราบกันดีว่าแอมพลิจูด คุณลักษณะเฉพาะของออสซิลเลเตอร์คือรักษาเอาท์พุท AC
รูปต่อไปนี้แสดงเครื่องขยายเสียงที่มีสัญญาณตอบรับแม้ว่าจะไม่มีสัญญาณอินพุตที่ใช้ภายนอกก็ตาม ออสซิลเลเตอร์ไซน์เป็นรูปแบบหนึ่งของเครื่องขยายสัญญาณตอบรับโดยที่ข้อกำหนดพิเศษจะถูกวางไว้บนแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับAv และเครือข่ายข้อเสนอแนะ β.
พิจารณาแอมพลิฟายเออร์ป้อนกลับของรูปด้านบนโดยที่แรงดันป้อนกลับ V f = βV Oให้แรงดันไฟฟ้าอินพุตทั้งหมด
$ V_i = V_f = \ เบต้า V_0 = A_V \ เบต้า V_i $ (1)
$ V_i = A_V \ beta V_i $ หรือ $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)
หากต้องการสร้างแรงดันไฟฟ้าขาออกแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะไม่สามารถเป็นศูนย์ได้ ดังนั้นเพื่อให้ V iมีอยู่สมการ (2) จึงต้องการสิ่งนั้น
$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ หรือ $ A_V \ beta = 1 $ (3)
สมการ (3) เรียกว่า “Barkhausen criterion”ซึ่งระบุข้อกำหนดพื้นฐานสองประการสำหรับการสั่น -
แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นรอบ ๆ แอมพลิฟายเออร์และวงจรป้อนกลับที่เรียกว่าอัตราขยายของลูปต้องเป็นเอกภาพหรือ $ A_V \ beta = 1 $
การเลื่อนเฟสระหว่าง $ V_i $ และ $ V_f $ เรียกว่าการเลื่อนเฟสแบบลูปต้องเป็นศูนย์
หากเป็นไปตามเงื่อนไขทั้งสองนี้แอมพลิฟายเออร์ป้อนกลับของรูปด้านบนจะสร้างรูปคลื่นสัญญาณออกไซน์อย่างสม่ำเสมอ
ตอนนี้ให้เราคุยรายละเอียดเกี่ยวกับวงจรออสซิลเลเตอร์ทั่วไป
เฟส Shift Oscillator
วงจรออสซิลเลเตอร์ที่เป็นไปตามความคืบหน้าพื้นฐานของวงจรป้อนกลับคือออสซิลเลเตอร์แบบกะเฟส ออสซิลเลเตอร์กะเฟสแสดงในรูปต่อไปนี้ ข้อกำหนดสำหรับการสั่นที่กำไรห่วง (βA) ควรจะมากกว่าความสามัคคีและกะระยะระหว่าง input และ output ควรจะเป็น 360 o
ข้อมูลป้อนกลับมีให้จากเอาต์พุตของเครือข่าย RC กลับไปที่อินพุตของเครื่องขยายเสียง ขั้นตอนของแอมพลิฟายเออร์ op-amp ให้การกะระยะ 180 องศาเริ่มต้นและเครือข่าย RC จะแนะนำการกะระยะเพิ่มเติม ที่ความถี่เฉพาะการเปลี่ยนเฟสที่เครือข่ายแนะนำคือ 180 องศาดังนั้นลูปจะเป็น 360 องศาและแรงดันไฟฟ้าป้อนกลับเป็นแรงดันไฟฟ้าอินพุตเฟส
จำนวนขั้นต่ำของขั้นตอน RC ในเครือข่ายข้อเสนอแนะคือสามส่วนเนื่องจากแต่ละส่วนมีการกะระยะ 60 องศา RC oscillator เหมาะอย่างยิ่งกับช่วงความถี่เสียงตั้งแต่ไม่กี่รอบไปจนถึงประมาณ 100 KHz ที่ความถี่สูงขึ้นอิมพีแดนซ์ของเครือข่ายจะต่ำมากจนอาจโหลดแอมพลิฟายเออร์อย่างจริงจังซึ่งจะช่วยลดแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับต่ำกว่าค่าต่ำสุดที่ต้องการและการสั่นจะหยุดลง
ที่ความถี่ต่ำผลการโหลดมักไม่เป็นปัญหาและมีค่าความต้านทานและค่าความจุขนาดใหญ่ที่ต้องการ การใช้การวิเคราะห์เครือข่ายพื้นฐานการสั่นของความถี่สามารถแสดงเป็น
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$
Wien Bridge Oscillator
วงจรออสซิลเลเตอร์ที่ใช้งานได้จริงใช้วงจร op-amp และ RC bridge โดยมีความถี่ของออสซิลเลเตอร์ที่กำหนดโดย R และ Cส่วนประกอบ รูปต่อไปนี้แสดงวงจรออสซิลเลเตอร์ Wien bridge เวอร์ชันพื้นฐาน
สังเกตการเชื่อมต่อบริดจ์พื้นฐาน ตัวต้านทาน R 1และ R 2และตัวเก็บประจุ C 1และ C 2เป็นองค์ประกอบการปรับความถี่ในขณะที่ตัวต้านทาน R 3และ R 4เป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางป้อนกลับ
ในแอปพลิเคชั่นนี้แรงดันไฟฟ้าขาเข้า (V i ) ไปยังบริดจ์คือแรงดันเอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงและแรงดันขาออก (V o ) ของบริดจ์คือป้อนกลับไปยังอินพุตของเครื่องขยายเสียง การละเลยผลการโหลดของอิมพีแดนซ์อินพุตและเอาต์พุตของ op-amp การวิเคราะห์วงจรบริดจ์ส่งผลให้
$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$
และ
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$
ถ้า R 1 = R 2 = R และ C 1 = C 2 = C ความถี่ของออสซิลเลเตอร์ที่ได้คือ
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$
Hartley Oscillator
รูปต่อไปนี้แสดงออสซิลเลเตอร์ Hartley เป็นหนึ่งในวงจร RF ที่พบบ่อยที่สุด โดยปกติจะใช้เป็นออสซิลเลเตอร์ในเครื่องรับสัญญาณการสื่อสาร ทรานซิสเตอร์สองขั้วชุมทางในการเชื่อมต่ออีซีแอลที่พบบ่อยคือเครื่องขยายเสียงแรงดันและจะลำเอียงโดยวงจรอคติสากลประกอบด้วย R 1 , R 2 , R E ตัวเก็บประจุบายพาสอิมิตเตอร์ (C E ) เพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นของระยะทรานซิสเตอร์เดี่ยวนี้
Radio Frequency Choke (RFC) ในวงจรสะสมทำหน้าที่เป็นวงจรเปิดที่ความถี่ RF และป้องกันไม่ให้พลังงาน RF เข้าสู่แหล่งจ่ายไฟ วงจรรถถังประกอบด้วย L 1 , L 2และ C ความถี่ของการสั่นจะถูกกำหนดโดยค่าของ L 1 , L 2และ C และกำหนดโดยการสั่นที่ความถี่เรโซแนนซ์ของวงจรถัง LC ความถี่เรโซแนนซ์นี้แสดงเป็น
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$
สัญญาณเอาต์พุตสามารถนำมาจากตัวเก็บรวบรวมโดยการเชื่อมต่อแบบคาปาซิทีฟหากโหลดมีขนาดใหญ่และความถี่ของการสั่นจะไม่ได้รับผลกระทบ
Piezoelectricity
คุณสมบัติของเพียโซอิเล็กทริกแสดงโดยสารคริสตัลธรรมชาติหลายชนิดซึ่งสิ่งที่สำคัญที่สุด ได้แก่ ควอตซ์เกลือโรแชลล์และทัวร์มาลีน เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าแบบไซน์บนวัสดุเหล่านี้พวกมันจะสั่นด้วยความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้
ในทางกลับกันเมื่อวัสดุเหล่านี้ถูกบีบอัดและวางไว้ภายใต้ความเครียดเชิงกลที่จะสั่นสะเทือนพวกมันจะสร้างแรงดันไฟฟ้าไซน์ที่เท่ากัน ดังนั้นวัสดุเหล่านี้จึงถูกเรียกว่าเป็นผลึกเพียโซอิเล็กทริก ควอตซ์เป็นคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกที่ได้รับความนิยมมากที่สุด
คริสตัลออสซิลเลเตอร์
แผนภาพวงจรของคริสตัลออสซิลเลเตอร์แสดงในรูปต่อไปนี้
คริสตัลที่นี่ทำหน้าที่ปรับแต่งวงจร วงจรสมมูลของคริสตัลแสดงไว้ด้านล่าง
คริสตัลออสซิลเลเตอร์มีความถี่เรโซแนนซ์สองความถี่: ความถี่เรโซแนนซ์แบบอนุกรมและความถี่เรโซแนนซ์แบบขนาน
ความถี่เรโซแนนซ์ของซีรี่ส์
$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
ความถี่เรโซแนนซ์แบบขนาน
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$
ความถี่เรโซแนนซ์ทั้งสองเกือบจะเท่ากันเนื่องจาก C / Cm มีขนาดเล็กมาก ในรูปด้านบนคริสตัลเชื่อมต่อเพื่อทำงานในโหมดเรโซแนนซ์แบบขนาน
ตัวต้านทาน R 1 , R 2 , R Eและทรานซิสเตอร์รวมกันเป็นวงจรขยาย ตัวต้านทาน R 1และ R 2ให้แรงดันไฟฟ้า DC ไบอัสที่เสถียร ตัวเก็บประจุ (C E ) ให้บายพาส AC ของตัวต้านทานตัวปล่อย (R E ) และ RFC ให้อิมพีแดนซ์สูงกับความถี่ที่สร้างโดยออสซิลเลเตอร์เพื่อไม่ให้เข้าสู่สายไฟ
คริสตัลจะขนานกับตัวเก็บประจุ C 1และ C 2และอนุญาตให้ป้อนกลับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดจากตัวเก็บรวบรวมไปยังตัวปล่อยเมื่อความต้านทานสูงสุด ที่ความถี่อื่นอิมพีแดนซ์ของคริสตัลจะต่ำดังนั้นผลตอบรับที่ได้จึงน้อยเกินไปที่จะรักษาการสั่น ความถี่ของออสซิลเลเตอร์จะเสถียรที่ความถี่เรโซแนนซ์แบบขนานของคริสตัล