Yarıiletken Cihazlar - Osilatörler
Bir osilatör, olarak bilinen sinüzoidal salınımlar üreten elektronik bir devredir. sinusoidal oscillator. Bir DC kaynağından gelen giriş enerjisini, belirli bir frekansta ve bilinen genlikte periyodik dalga biçimindeki AC çıkış enerjisine dönüştürür. Osilatörün karakteristik özelliği, AC çıkışını sürdürmesidir.
Aşağıdaki şekil, harici olarak uygulanan bir giriş sinyalinin yokluğunda bile geri bildirim sinyaline sahip bir amplifikatörü göstermektedir. Sinüzoidal bir osilatör, esasen voltaj kazancına özel gereksinimlerin getirildiği bir geri besleme amplifikatörü biçimidir.Av ve geri bildirim ağları β.
Yukarıdaki şekildeki geri besleme amplifikatörünü düşünün, burada geri besleme voltajı V f = βV O tüm giriş voltajını sağlar
$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ (1)
$ V_i = A_V \ beta V_i $ Veya $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)
Bir çıkış voltajı üretilecekse, giriş voltajı sıfır olamaz. Dolayısıyla, V i'nin var olması için Denklem (2) şunu gerektirir:
$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ Veya $ A_V \ beta = 1 $ (3)
Denklem (3) olarak bilinir “Barkhausen criterion”, salınım için iki temel gereksinimi belirtir -
Döngü kazancı olarak adlandırılan amplifikatör ve geri besleme döngüsü etrafındaki voltaj kazancı, birlik veya $ A_V \ beta = 1 $ olmalıdır.
Döngü faz kayması olarak adlandırılan $ V_i $ ile $ V_f $ arasındaki faz kayması sıfır olmalıdır.
Bu iki koşul karşılanırsa, yukarıdaki şeklin geri besleme amplifikatörü, tutarlı bir şekilde sinüzoidal bir çıkış dalga formu oluşturacaktır.
Şimdi bazı tipik osilatör devreleri hakkında ayrıntılı olarak tartışalım.
Faz Kaydırma Osilatörü
Bir geri besleme devresinin temel ilerlemesini izleyen bir osilatör devresi, faz kaydırmalı osilatördür. Aşağıdaki şekilde bir faz kaydırmalı osilatör gösterilmektedir. Salınım için gereklilikler, döngü kazancının (βA) birlikten büyük olması ve giriş ile çıkış arasındaki faz kaymasının 360o olmasıdır .
Geri bildirim, RC ağının çıkışından amplifikatör girişine geri gönderilir. Op-amp amplifikatör aşaması, ilk 180 derecelik bir kayma sağlar ve RC ağı, ek bir miktarda faz kayması sunar. Belirli bir frekansta, ağ tarafından sağlanan faz kayması tam olarak 180 derecedir, bu nedenle döngü 360 derece ve geri besleme voltajı faz giriş voltajındadır.
Geri besleme ağındaki minimum RC aşaması sayısı üçtür, çünkü her bölüm 60 derecelik faz kayması sağlar. RC osilatörü, birkaç döngüden yaklaşık 100 KHz'e kadar ses frekansları aralığına ideal olarak uygundur. Daha yüksek frekanslarda, ağ empedansı o kadar düşük olur ki, amplifikatörü ciddi şekilde yükleyebilir, böylece voltaj kazancını gerekli minimum değerin altına düşürür ve salınımlar durur.
Düşük frekanslarda, yükleme etkisi genellikle bir sorun değildir ve gerekli büyük direnç ve kapasitans değerleri kolayca elde edilebilir. Temel ağ analizi kullanılarak frekans salınımı şu şekilde ifade edilebilir:
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$
Wien Köprü Osilatörü
Pratik bir osilatör devresi, osilatör frekansı tarafından ayarlanan bir op-amp ve RC köprü devresi kullanır. R ve Cbileşenleri. Aşağıdaki şekil bir Wien köprü osilatör devresinin temel bir versiyonunu göstermektedir.
Temel köprü bağlantısına dikkat edin. Dirençler R 1 ve R 2 ve kondansatörler Cı 1 ve C 2 bir şekilde frekans ayarlama elemanları, dirençler R ise 3 ve R 4 geri besleme yolunun bir parçasını oluşturur.
Bu uygulamada, köprüye giriş voltajı (V i ) amplifikatör çıkış voltajıdır ve köprünün çıkış voltajı (V o ) amplifikatör girişine geri beslemedir. Op-amp giriş ve çıkış empedanslarının yükleme etkilerini ihmal ederek, köprü devresinin analizi ile sonuçlanır.
$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$
ve
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$
R 1 = R 2 = R ve C 1 = C 2 = C ise, ortaya çıkan osilatör frekansı
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$
Hartley Osilatör
Aşağıdaki şekil Hartley osilatörünü göstermektedir. En yaygın RF devrelerinden biridir. Normalde bir iletişim yayını alıcısında yerel osilatör olarak kullanılır. Ortak yayıcı bağlantısındaki iki kutuplu bağlantı transistörü, voltaj yükselticidir ve R 1 , R 2 , R E'den oluşan evrensel bir öngerilim devresi tarafından önyargılıdır . Verici baypas kapasitörü (C E ), bu tek transistör aşamasının voltaj kazancını artırır.
Kolektör devresindeki Radyo Frekansı Şok Bobini (RFC), RF frekansında açık devre görevi görür ve RF enerjisinin güç kaynağına girmesini engeller. Tank devresi L 1 , L 2 ve C'den oluşur. Salınımların frekansı L 1 , L 2 ve C değerleriyle belirlenir ve LC tank devresinin rezonans frekansındaki salınımlar tarafından belirlenir. Bu rezonans frekansı şu şekilde ifade edilir:
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$
Çıkış sinyali, yükün büyük olması ve salınım frekansının etkilenmemesi şartıyla, kapasitif kuplaj ile kollektörden alınabilir.
Piezoelektrik
Piezoelektrik özellikler, en önemlileri kuvars, Rochelle tuzu ve turmalin olan bir dizi doğal kristal madde tarafından sergilenmektedir. Bu malzemelere sinüzoidal bir voltaj uygulandığında, uygulanan voltaj frekansında titreşirler.
Öte yandan, bu malzemeler sıkıştırılıp titreşmek için mekanik zorlanma altına alındığında, eşdeğer bir sinüzoidal voltaj üretirler. Bu nedenle bu malzemelere piezoelektrik kristal adı verilir. Kuvars, en popüler piezoelektrik kristaldir.
Kristal Osilatör
Kristal osilatörün devre şeması aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Buradaki kristal, ayarlanmış bir devre görevi görür. Bir kristalin eşdeğer devresi aşağıda verilmiştir.
Bir kristal osilatörün iki rezonans frekansı vardır: Seri Rezonans Frekansı ve Paralel Rezonans Frekansı.
Seri Rezonans Frekansı
$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Paralel Rezonans Frekansı
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$
C / Cm çok küçük olduğu için iki rezonans frekansı hemen hemen aynıdır. Yukarıdaki şekilde, kristal paralel rezonans modunda çalışmak üzere bağlanmıştır.
Dirençleri R 1 R, 2 R D , ve transistör birlikte bir amplifikatör devresi oluşturur. Dirençler R 1 ve R 2 , voltaj stabilize bir DC öngerilimi sağlar. Kapasitör (C E ), emitör direncinin (R E ) AC baypasını sağlar ve RFC, osilatör tarafından üretilen frekansa yüksek empedans sağlar, böylece güç hatlarına girmezler.
Kristal kondansatörü C'nin paralel olan 1 ve C 2 ve empedans maksimum olduğunda, emitör için toplayıcı maksimum gerilim geri verir. Diğer frekanslarda, kristal empedansı düşüktür ve bu nedenle ortaya çıkan geri besleme, salınımları sürdürmek için çok küçüktür. Osilatör frekansı, kristalin paralel rezonans frekansında stabilize edilir.