Oscilátory Oscilátory

Oscilátory 1. Oscilátory Oscilátory dělíme podle několika hledisek (uvedené třídění není zcela jednotné – bylo použito vžitých názvů, které vznikaly v různých období vývoje a za zcela odlišných podmínek): a) Podle průběhu výstupního generovaného signálu • Sinusové • Obdélníkové (blokující oscilátory) • Generátory funkcí (např. trojúhelník, pila) b) Podle frekvence výstupního generovaného signálu • Nízkofrekvenční (do 1 MHz) • Vysokofrekvenční (stovky MHz až jednotky GHz) • Generátory cm vln (až desítky GHz) c) Podle způsobu vzniku oscilací v obvodu • Zpětnovazební (spojení zesilovače + obvodu kladné zpětné vazby) • Parametrické (využívá se negativní diferenciální odpor součástek) • Astabilní (volně kmitající) klopné obvody – multivibrátory d) Podle typu zpětnovazebního členu • RC oscilátory • LC oscilátory (Colpitts, Hartley, Clapp) • Krystalové oscilátory e) Podle použitého typu aktivního prvku • S tranzistory – bipolárními i unipolárními (JFET) • S operačními zesilovači • S logickými (klopnými) obvody

ELS – podklady k přednáškám  Kyklop 2002

1

2. Zpětnovazební oscilátory Skládají se ze 2 základních funkčních bloků: zesilovače a obvodu zpětné vazby. Oscilátor pracuje na principu kladné zpětné vazby. Zesílení zesilovače = A

Zesílení zpětné vazby (+ZV) = B Obr. 11.1 Základní bloková struktura zpětnovazebního oscilátoru

Základní podmínky pro činnost oscilátoru: • Fázový posun signálu mezi zesilovačem a obvodem ZV musí být 0° • Zesílení zesilovače a ZV musí být shodné, blízké 1 (celkové zesílení A ⋅ B ≥ 1) Pokud je toto zesílení < 1, velikost kmitů oscilátoru má sestupnou tendenci, až dojde k úplnému ustání oscilací.V opačném případě (> 1), má hodnota kmitů oscilátoru vzrůstající tendenci, vedoucí až k limitním hodnotám – viz obr. 11.2.

Obr. 11.2 Vliv rozdílné velikosti zesílení na amplitudu výstupního signálu zpětnovazebního oscilátoru


2

• Sinusový RC oscilátor Obvod ZV je tvořen součástkami typu RC, které způsobují fázový posun 60°. Obvod zesilovače s tranzistorem v zapojení SE obrací fázi o 180° ⇒ celková fáze zapojení zesilovače a ZV je 360, respektive 0°. Generátor produkuje výstupní sinusový signál s konstantní amplitudou za předpokladu splnění podmínky A ⋅ B = 1 Obr. 11.3 Základní schéma sinusového RC oscilátoru.

• Sinusové LC oscilátory a) Colpittsův oscilátor (invertor) Jak je vidět na obr. 11.4. obvod ZV obsahující prvky LC funguje vlastně jako filtr, tj. propouští pouze specifický rezonanční kmitočet fr. fr ≅

1 2π LCT

Kondenzátory C1 a C2 jsou zapojeny v sérii, proto výsledná hodnota je dána podle CT =

C1 ⋅ C 2 C1 + C 2

Obr. 11.4 Základní zapojení Colpittsova LC oscilátoru.


3

b) Harteyův oscilátor Pracuje na podobném principu zpětnovazebního LC obvodu jako Colpittsův, tentokráte složeného z sériového zapojení indukčností L1 a L2 a kondenzátoru C. Rezonanční kmitočet obvodu ZV je pak roven kmitočtu generovaného sinusového signálu fr ≅

1 2π LT C

LT = L1 + L2 Obr. 11.5 Základní zapojení Hartleyova LC oscilátoru.

c) Clappův oscilátor Vychází opět z Colpittsova oscilátoru, ve zpětnovazebním LC obvodu je navíc zařazen kondenzátor C3 v sérii s indukčností L. Pokud tento kondenzátor bude mít negativní průběh teplotní závislosti pomáhá stabilizovat frekvenci celého oscilátoru při teplotních změnách.

Obr. 11.6 Základní zapojení Clappova LC oscilátoru.


4

• Sinusové oscilátory řízené krystalem Vycházejí opět z principu spojení bloku zesilovače a obvodu ZV, kde je použit krystalový rezonátor. Jedná se zpravidla o křemenný výbrus s kovovými elektrodami. Vyrábějí se dvoupolepové krystaly (pro kmitočty od 100 kHz do 150 MHz), pro nižší kmitočty pak třípolepové (v provedení jako dvojhran). a)

b)

Obr. 11.7

c)

d)

Krystalový rezonátor: značka (a), el. náhradní obvod (b), typická konstrukce (c) a základní provedení (d).

V elektrickém náhradním obvodu je mechanický rezonátor nahrazen prvky RS, LS, CS a Cm. Frekvenční charakteristika takovéhoto rezonátoru se vyznačuje 2 význačnými vrcholy – rezonancemi: • sériová rezonance = shodná reaktance

fS =

sériových prvků náhradního obvodu (LS, CS) • paralelní rezonance = shodná reaktance LS a

fP =

Cm z náhradního obvodu Kmitočet fp je vyšší než fs s relativní odchylkou

δf =

1 2π LS C S

1 C ⋅C 2π LS S m CS + Cm

fP − fS CS = fS 2 ⋅ Cm

Impedance rezonátoru je minimální na sériové rezonanci, maximální při paralelní rezonanci. Při realizaci oscilátoru se stává, že oscilátor kmitá na jiném kmitočtu, než je rezonance krystalu. Příčiny lze rozdělit do tří oblastí: • Každý krystal má více mechanických rezonancí – oscilace probíhají na kmitočtu kde jsou nejmenší ztráty. Situace nastává při nevhodném zapojení s většími ztrátami, nebo nevhodném fázovém posuvu. • Krystalové výbrusy pro kmitočty nad 20 MHz jsou velmi malé, proto se využívá v oscilátorech 3. nebo 5. harmonická základního kmitočtu. Na tuto


5

harmonickou musí být nastaven pomocný LC obvod (pásmová propust) – jinak není oscilátor schopen kmitat na požadovaném kmitočtu. • Oscilátor kmitá jen s kapacitou držáků Cm a kmity se mechanickému rezonátoru vyhýbají. Nastává při nevhodném zapojení oscilátoru – zapojení musí být vybráno tak, aby obvod kmital jen tehdy, když se krystal chová jako impedance induktivního charakteru (tj. napětí na krystalu předbíhá proud). Nejjednodušší konstrukce oscilátorů s krystaly odpovídají zapojení dle obr. 11.8. jako aktivní člen může být použit rovněž invertor typu CMOS – viz obr. 11.9.

Obr. 11.8

Krystalový oscilátor s krystalovým rezonátorem v obvodu ZV využívajícím sériovou (a) a paralelní (b) rezonanci.

Obr. 11.9 Krystalový oscilátor na bázi jednoho (a) dvojice (b) CMOS invertoru.

Krystalové oscilátory se vyznačují velkou teplotní stálostí, a přesností generovaného výstupního signálu. Proto se nejčastěji používají jako primární generátory hodinových signálů. ELS – podklady k přednáškám  Kyklop 2002

6

• Oscilátory využívající negativní diferenciální odpor prvků (regenerativní) U zesilovačů se mimo aktivní (přibližně lineární) oblasti využívají i obě oblasti omezování (nelinearity). Prvky s negativním diferenciálním odporem určené pro regenerativní obvody tvoří dvě skupiny: • Prvky s V-A charakteristikou tvaru „N“ (obr. 11.10 a) = Tunelová a Gunnova dioda, hrotový tranzistor (vstup emitor, kolektor) • Prvky s V-A charakteristikou tvaru „S“ (obr. 11.10 b) = Tyristor a triak, jednopřechodový tranzistor, P-N přechody v oblasti Zenerova nebo lavinového průrazu

Obr. 11.10 V-A charakteristiky prvků s negativním difer. odporem typu „A“ (a) a typu „S“ (b).

Oba typy se vyznačují oblastí negativního diferenciálního odporu mezi body B a D. Prvky se provozují v pracovním bodě P, kde tento diferenciální odpor RdP nabývá extrémních hodnot. K oběma základním typům lze jednoznačně přiřadit jednoduchý RLC obvod, s nímž je uvedený prvek schopen generovat periodické kmity. Tyto obvody jsou uvedeny na obr. 11.11.

Obr. 11.11 Schéma regenerativních obvodů s prvky typu „N“ – paralelní (a) a typu „S“ – sériový (b).


7

Kmity v obvodě nastanou je-li zároveň splněna podmínka R < |RdP| a

L >R. C

Dojde-li k ustáleným kmitům, vytvoří stavová trajektorie uzavřenou křivku (obr. 11.12 a) – tzv. „mezní cyklus“. Podle jejích tvaru můžeme odhadnout i tvar časového průběhu příslušných obvodových veličin: • tvar blízký elipse – vznikají v obvodu téměř čisté sinusové kmity • „hranatý“ tvar – tj. zapojení se chová jako astabilní klopný obvod (AKO) a generuje relaxační kmity

Obr. 11.12 Stavová trajektorie prvku s neg. difer. odporem (a), časový průběh relaxačních kmitů (b)

Časový průběh relaxačních kmitů (obr. 11.12 b) lze rozložit na relativně pomalé a rychlé děje. Při relativně pomalých dějích sleduje mezní cyklus V-A char., při rychlých dějích probíhá mimo ni. Časový průběh rychlého děje u prvku typu „N“ určuje kapacita C, u prvku typu „S“ indukčnost L, pro pomalé děje je tomu naopak. Regenerativní

obvody

na

bázi

prvků s negativním difer. odporem jako základ oscilátorů se používají pouze

zřídka.

Jsou

však

tak

jednoduché, že jejich funkce byla Obr. 11.13

Schéma zapojení oscilátoru s prvky s negativním difer. odporem.

zcela exaktně rozebrána a popsána, na

rozdíl

od

oscilátorů

využívajících kladné ZV. ELS – podklady k přednáškám  Kyklop 2002

8

• Blokující oscilátory: Blokující oscilátory patří mezi relaxační obvody, i když ke své činnosti využívají rovněž principů známých pro harmonické oscilátory LC. Do funkce blokujícího oscilátoru se může dostat v podstatě každý LC oscilátor, jsou-li splněny dvě základní podmínky: • V aktivní oblasti bude zesílení A ⋅ B >> 1 • Oscilátor obsahuje setrvačný obvod pro stabilizaci amplitudy

Obr. 11.14 Schéma zapojení blokujícího oscilátoru (a) a odpovídající výstupní časové průběhy (b).

Typické zapojení blokujícího oscilátoru je uvedeno na obr. 11.14. Je zpravidla osazen jediným zesilovacím prvkem a transformátorem s velmi těsnou vazbou mezi primárním a sekundárním vinutím. Používá se pro generování impulsních průběhů v širokém kmitočtovém pásmu od několika Hz až do stovek MHz. Oscilátor je schopen generovat velmi úzké impulsy (s nepatrnou střídou) a dá se velmi dobře synchronizovat vnějším impulsním zdrojem.


9

• Astabilní klopné obvody (AKO) se dvěma invertujícími zesilovači Základní zapojení obvodu AKO se dvěma bipolárními tranzistory je uvedeno na obr.11.15a), příslušné časové průběhy výstupního signálu na obr.11.15b). Pro dosažení obdélníkové průběhu na výstupu a dostatečné stability kmitočtu je nutno splnit podmínku

Rb1< B1⋅RC1 a

Rb2 < B2⋅RC2.

Výhodou tohoto zapojení je možnost měnit střídu výstupního signálu poměrem kapacit C1 a C2.

a)

b)

Obr. 11.15 Zapojení obvodu AKO se dvěma bipolárními tranzistory (a), výstupní časové průběhy (b).

Astabilní multivibrátory uvedeného typu lze též realizovat s dvěma invertujícími logickými členy (NAND nebo NOR) – viz obr. 11.16. Činnost AKO lze zastavit v kterékoliv části periody a spouštět na začátku T1 nebo T2. Při použití standardních log. členů TTL a CMOS jsou přeběhy dostatečně rychlé, kmitočet relaxačních kmitů však není příliš stálý.

Obr. 11.15 Zapojení obvodu AKO se dvěma invertujícími logickými členy NAND.


10

• Generátory funkcí Za generátor považujeme každý el. systém, schopný generovat lineárně se měnící periodické napětí a toto napětí podle potřeby dále tvarovat nebo modulovat a klíčovat. Generátory slouží zpravidla k výrobě trojúhelníkovitého a pilovitého průběhu napětí, tvarovaného nejčastěji na sinusovku. Jako „vedlejší produkt“ současně generují napětí obdélníkovitého průběhu. Ukázka zapojení generátoru pilovitého výstupního napětí s amplitudou 1÷7.5V je uvedena na následujícím obrázku. + U nap

a) − U nap

Uf ≅1 V

Up

U IN =

R2 ⋅ (− U nap ) = −1.92 V R1 + R2

T=

b)

U p −UF

U IN / (R ⋅ C ) fr =

= 1.69 ms

1 ≅ 592 Hz T

Obr. 11.16 Zapojení generátoru pilovitého výstupního napětí (a), časový proběh napětí (b)


11

Oscilátory Oscilátory

Recommend Documents