19.B
19.B
19.B
Alapáramkörök alkalmazásai – Oszcillátorok
Ismertesse a szinuszos rezgések elıállítására szolgáló módszereket! Értelmezze az oszcillátoroknál alkalmazott pozitív visszacsatolást! Ismertesse a berezgés fázis- és amplitúdó-feltételeit! Csoportosítsa felépítés és frekvenciatartomány alapján az oszcillátorokat! Ismertesse egy-egy tipikus kis- és nagyfrekvenciás oszcillátor mőködését! Mutassa be az oszcillátorok gyakorlati alkalmazási lehetıségeit! Hasonlítsa össze elınyei és hátrányai alapján az LC-, az RCkvarcoszcillátorokat!
és
a
Az oszcillátor Az oszcillátorok olyan elektronikus áramkörök, amelyek egyenáramú tápenergiát felhasználva, vezérlı jel nélkül csillapítatlan periodikus jelek elıállítására alkalmasak. A létrehozott periodikus jel lehet: nem szinuszos, szinuszos idıbeli lefolyású jel.
• •
Az oszcillátorok osztályozása A szinuszos jeleket elıállító áramköröket harmonikus, vagy szinuszos oszcillátoroknak nevezzük. A nem szinuszos jeleket elıállító áramköröket szokás relaxációs oszcillátoroknak nevezni.
A csillapított rezgés Az oszcillátorok létrehozásánál szükség van egy frekvencia- meghatározó elemre, amely meghatározza a rezgés frekvenciáját. Ha egy feltöltött kondenzátor energiája egy induktív tagon keresztül kisül, akkor csillapított rezgések keletkeznek.
Rezonancia frekvencia számítása A csillapított rezgések frekvenciáját a következı jól ismert összefüggés határozza meg:
f0 =
1 2π ⋅ L ⋅ C
.
A csillapítatlan rezgés létrejötte A rezgıkör veszteséges, így energiatartalma csökken. A rezgések fenntartása úgy lehetséges, ha a veszteségeket pótoljuk.
A veszteségek kompenzálása A veszteségek pótlására, ennek megfelelıen a csillapítatlan rezgések elıállítására két eljárás lehetséges: • •
negatív ellenállású karakterisztika- szakasszal rendelkezı áramköri elem használata, pozitív visszacsatolással rendelkezı erısítı alkalmazása.
A negatív dinamikus ellenállás A negatív dinamikus ellenállás hatása Egyes félvezetı áramköri elemeknél, mint például az alagútdióda vagy az egyátmenető tranzisztor, a negatív ellenállás jelenlétét a karakterisztika mutatja.
Alagútdiódás oszcillátor jelleggörbéje
Egyátmenető tranzisztoros oszcillátor jelleggörbéje
1
19.B
19.B
Az egyátmenető tranzisztor jelleggörbéje A negatív ellenállású szakasz felhasználható a rezgıkör veszteségeinek a kiegyenlítésére. A rezgıkör veszteségei kompenzálhatók, ha a vele párhuzamosan vagy sorosan kapcsolunk egy a veszteségi ellenállással megegyezı értékő „negatív” ellenállást. Az így kiegészített hálózat csillapítatlan rezgéseket képes elıállítani.
A soros rezgıkör elvi felépítése negatív ellenállással
A párhuzamos rezgıkör elvi felépítése negatív ellenállással
A kapcsolási rajz összeállítása és az áramköri elemek szerepe Az egyátmenető tranzisztor esetében a negatív dinamikus ellenállás kis értékő áramváltozás esetén jön létre, amely a jelleggörbébıl is kiolvasható. A keletkezı rezgések amplitudójának a határolása a tranzisztor bemeneti körével sorosan kapcsolt, soros rezgıkörrel valósítható meg.
Alagútdiódás oszcillátor
Egyátmenető tranzisztoros oszcillátor Alagútdióda alkalmazása Az alagútdióda esetén a negatív dinamikus ellenállást
∆U ∆I
kis értékő feszültségváltozás hozza létre. Az
alagútdióda csak nagy frekvencián mőködik megfelelıen, ezért a felhasználása a magas frekvenciatartományra esik.
A visszacsatolt oszcillátor A visszacsatolt oszcillátor létrehozása Ha egy erısítıt amely egy széles sávban erısít, visszacsatoló négypólussal pozitívan visszacsatolunk, akkor oszcillátort kapunk.
A visszacsatolt erısítés
Auv =
Au 1 − β ⋅ Au
, ahol Au az eredeti erısítı erısítése, Auv a visszacsatolt erısítı erısítése.
A hurokerısítés Ha a hurokerısítés
(β ⋅ Au ) egy értékő, akkor az összefüggés értelmében a visszacsatolt erısítı erısítése végtelenre
növekszik.
A visszacsatolt oszcillátor felépítése
2
19.B
19.B
A hurokerısítés értékének következménye Ez azt jelenti, hogy a visszacsatolt erısítı ilyen esetben vezérlı jel nélkül is szolgáltat kimenı jelet, mivel az Auv=∞. Ekkor a visszacsatolt erısítı begerjed és saját maga hozza létre a kimenı jelet. Ha a hurokerısítés értéke nem megfelelı, akkor az oszcillátor nem képes begerjedni.
A fázisfeltétel és az amplitúdó feltétel A gyakorlatban a hurokerısítést nem lehet pontosan beállítani. Az oszcillátor mőködésének két feltétele van: 0
0
•
fázisfeltétel, a visszacsatolt jel a bemenıjellel azonos fázisú legyen, vagyis a fáziseltérés 0 , vagy 360 legyen,
•
amplitúdó feltétel, a hurokerısítés
β ⋅ Au = 1 értékő legyen.
A hurokerısítés Megfelelı hurokerısítés és fázisfeltétel esetén, a keletkezı rezgések frekvenciáját egy frekvencia- meghatározó elem határozza meg, amint azt a fenti ábrán is láthatjuk (LC rezgıkör). A frekvencia- meghatározó elem szerint a szinuszos oszcillátorok lehetnek: • • •
LC, RC, és kvarc oszcillátorok.
LC oszcillátorok Az LC oszcillátorok rezgıköre Ezen oszcillátorok frekvencia- meghatározó eleme egy rezgıkör. A rezgıkör csillapításának kompenzálását egy erısítı biztosítja. Az LC oszcillátorokat fıleg nagyfrekvenciás tartományban alkalmazzák, mivel kisfrekvenciákon a rezgıkör elemei nagy értékőek lennének, ezért veszteségük is megnıne. A nagy jósági tényezıjő rezgıkörök nagyfrekvencián könnyen megvalósíthatóak. Az LC oszcillátorok többféle kapcsolása ismert. A kapcsolások amelyeket ismertetünk, nevük a feltalálójukra utal.
Az LC oszcillátorok típusai: • • • •
hangolt kollektorkörő Meissner-oszcillátor hangolt báziskörő Meissner-oszcillátor kapacitív hárompont-csatolású Collpits-oszcillátor induktív hárompont-csatolású Hartley-oszcillátor
A Meissner-oszcillátor A Meissner- oszcillátor jellemzıje, hogy transzformátoros visszacsatolással mőködik, és a frekvencia- meghatározó elem a transzformátor primer tekercsével párhuzamosan kapcsolt kondenzátor által meghatározott rezgıkör.
A rezgıkör viselkedése A következı ábra az oszcillátor kapcsolását mutatja, melyben hangolt kollektorkörös emitterkapcsolású erısítıfokozatot alkalmaznak.
A kimeneti feszültség a tranzisztor kollektorán lép fel és fázist fordít. A frekvenciája
f0 =
1 2π ⋅ L ⋅ C
.
A hangolt kollektorkörös Meissner oszcillátor
3
19.B
19.B
A kapcsolási rajz elemzése A pozitív visszacsatolás megvalósítására a kimeneti feszültség egy részét az L tekerccsel lecsatoljuk, és az R , C soros tagon keresztül visszavezetjük a tranzisztor bázisára. A kapcsolásban fontos szerepet játszik az L és L tekercsek menetiránya, hiszen a visszacsatolt jel a tekercsek menetirányának megfelelıen azonos vagy ellentétes fázisban kerül vissza a kollektorkörbıl a bázisra.
RC oszcillátorok Az RC oszcillátorokat kisfrekvencián (pl. hangfrekvencián) használjuk. A közös emitteres erısítı kimeneti és bemeneti 0
feszültsége közötti 180 -os eltérést RC elemekkel állítjuk helyre (pl. fázistolós oszcillátornál). Az RC oszcillátorok egy részének hangolható a frekvenciája. Ilyen a Wien-hidas oszcillátor.
Az LC oszcillátorok típusai: • • •
fázistolós oszcillátor (nem hangolható), Wien-hidas oszcillátor ( hangolható), Kettıs T-hidas oszcillátor (nem hangolható).
Wien-hidas oszcillátor A híd felépítése A Wien-hidas oszcillátor esetében a visszacsatolatlan erısítıt egy Wien-híddal csatoljuk vissza.
A Wien-híd A híd egy frekvenciafüggı és egy frekvenciafüggetlen ágból áll. A híd baloldali ága frekvenciafüggı, jobb oldali ága pedig frekvenciafüggetlen elemekbıl épül fel.
A Wien-híd frekvenciafüggı ága
A Wien-híd frekvenciafüggı ágának erısítés-frekvencia jelleggörbéje
A Wien-híd frekvenciafüggı ágának fázismenete
A híd frekvenciafüggı ága és a leosztott feszültség megállapítása A frekvenciafüggı ág egy osztó áramkör, amelyre igaz, hogy:
ω0 =
1 R⋅C
körfrekvencián, az ág alsó részén az Up fázisban van az U1 bemenı feszültséggel, minden más frekvencián fázistolás lép fel. A híd feszültség-átvitele: Up lesz.
4
19.B
19.B
Tehát a frekvenciafüggı ág által szolgáltatott bemenı feszültség fázisban van az erısítı kimenı feszültségével, amplitúdója annak 1/3-a , a β = 1/3 lesz a pozitív visszacsatolási tényezı értéke.
A fázistolás értékének meghatározása A jelátvitel a körfrekvencia függvényében úgy változik, hogy az ω0 körfrekvencián maximális az átvitel, értéke éppen 1/3 és ezen a frekvencián a tag fázistolása nulla fok. Természetesen a körfrekvencia az RC elemek nagyságának megválasztásától függ, illetve azok változtathatóvá tételével az ω0 is változtatható.
A hídhoz megfelelı erısítıfokozat megválasztása Az erısítı erısítése, Au = 3 értékő kell hogy legyen, hiszen így lesz a hurokerısítés egy értékő. Az erısítıt általában meghatározott frekvenciatartomány átvitelére tervezik. A visszacsatoló kört választjuk frekvenciafüggıre, amint azt az ábrákon is láthatjuk.
Az erısítı kialakítása Mivel a híd nem fordít fázist, ezért (fázisfeltétel) az erısítıt is úgy kell kialakítani, hogy fázistolása nulla legyen.
A Wien-híd frekvenciafüggı ága az erısítı nem invertáló bemenetére kapcsolja a visszacsatolt jelet, így a fázisfeltétel teljesül. Az amplitúdó feltételt a frekvenciafüggetlen ág teljesíti, ha pl. R1 = R2 = R és C1 = C2 = C teljesül, akkor az erısítés:
Au = 3 = 1 +
R3 R ⇒ R3 = 4 R4 2
. Az erısítés pontos beállítása miatt szükséges az R4 potenciométer. A
frekvencia hangolását az R1 és R2 együttfutó potenciométerek teszik lehetıvé. Jó alkatrész méretezéssel a kapcsolás az egész hangfrekvenciás sávban (20 Hz-20 kHz-ig) szolgáltat szinuszos jelet a kimeneten.
Kvarcoszcillátorok Az oszcillátorok frekvenciastabilitása Az oszcillátorok esetében fontos követelmény a frekvencia vándorlása, eltolódása. A jó minıségő oszcillátoroknál a frekvenciaváltozásnak minimálisnak kell lennie. A frekvenciát az áramköri elemek és a tranzisztor paraméterei határozzák meg, amelyek a hımérséklettıl, a tápfeszültség változásától és a terheléstıl függıen változnak.
A jóság szerepe A frekvencia pontosságát a relatív frekvenciastabilitással jellemezzük:
S=
∆f f0
,
ahol, a ∆f a frekvenciaváltozás, az f0 pedig a viszonyítási frekvencia. A tervezés során a legnagyobb gondot a tranzisztor paraméterei okozzák, mert ezek a kritikus jellemzık. Az elsıdleges frekvencia- meghatározó elemek (L és C, R és C) jó minıségőeknek kell lenniük, hiszen az oszcillátorkapcsolásnak a stabilitása nem lehet jobb, mint az áramköri elemek stabilitása. Fontos, hogy a terheletlen rezgıkör jósági tényezıje nagy legyen, mert a külsı elemek így csak jelentéktelen mértékben befolyásolhatják a rezonanciafrekvenciát.
A kvarc szerepe Igen jó frekvenciastabilitás érhetı el rezgıkvarc alkalmazásával.
5
19.B
19.B
A kristály az egymással szemben lévı oldalaira kapcsolt váltakozó feszültség hatására bizonyos frekvencián mechanikai rezgést végez. Ezek a rezgések a két oldalon elektromos rezgéseket eredményeznek. A velük elérhetı frekvenciastabilitás:s= 10 …10 .
A hımérsékletfüggés A kvarcok frekvenciája hımérsékletfüggı, ezért hımérséklet befolyásolja a pontosságot. A frekvenciastabilitás a kristály hımérsékletének állandósításával tovább növelhetı. A kristály hımérsékletét termosztát alkalmazásával lehet állandó értéken tartani. A termosztálásnak több lehetséges megoldása is ismert.
A soros és a párhuzamos rezonancia frekvencia A viselkedésüknek a következı ábrán látható egyszerősített helyettesítı kapcsolásban az Ls,Cs és rs áramköri elemeket tartalmazó soros rezgıkör felel meg. A rezgıkvarcnak soros és párhuzamos rezonanciája is van.
A kristály áramköri jelölése
A kristály helyettesítı képe
A Miller-kapcsolású oszcillátor
A fegyverzetek közötti kristálykapacitás Cp, amely sokkal nagyobb, mint a Cs kapacitás, ezért a kristály rezonanciafrekvenciáját az Ls és Cs értékek határozzák meg. Ha a kristály jellemzıi: Cp = 10pF, Cs = 0,01pF, Ls = 0,1H, rs = 10 Ω , akkor a jósági tényezı:
Q0 =
Ls 1 ⋅ = 10 4 . rs Cs
A nagy jósági tényezı az oka a kvarckristályokkal épített oszcillátorok nagyon nagy frekvenciastabilitásának.
A Miller-kapcsolású oszcillátor Az oszcillátorban a pozitív visszacsatolást a FET C1-el jelölt, drain-gate parazita kapacitása biztosítja. Az LC rezgıkört a kristály rezonanciafrekvenciája alá hangolják, ahol induktív jelleget mutat. Sokszor alkalmaznak trimmer kondenzátort, amelyet a kvarccal sorosan párhuzamosan kapcsolnak, melynek segítségével az oszcillációs frekvencia pontosan beállítható. A kvarckristályokkal kb. 100 MHz-ig lehet oszcillátorokat kialakítani. A felharmónikus tartalmat kihasználva lehetıség kínálkozik ettıl jóval nagyobb frekvenciájú kvarcstabilizált oszcillátorok készítésére.
6
