Elektronický oscilátor - Electronic oscillator
Oscilátor je elektronický obvod , který vytváří periodický, oscilující elektronický signál, často sinusový nebo obdélníkový nebo trojúhelník vlnu . Oscilátory převádějí stejnosměrný proud (DC) z napájecího zdroje na signál střídavého proudu (AC). Jsou široce používány v mnoha elektronických zařízeních od nejjednodušších generátorů hodin až po digitální přístroje (jako jsou kalkulačky) a složité počítače a periferie atd. Mezi běžné příklady signálů generovaných oscilátory patří signály vysílané rádiovými a televizními vysílači , hodinové signály, které regulují počítače a křemen hodiny a zvuky vydávané elektronickými pípači a videohrami .
Oscilátory jsou často charakterizovány frekvencí jejich výstupního signálu:
- Nízkofrekvenční oscilátor (LFO) je oscilátor, který generuje frekvenci nižší než přibližně 20 Hz. Tento termín se obvykle používá v oblasti syntetizátorů zvuku , aby se odlišil od oscilátoru zvukové frekvence.
- Zvukový oscilátor produkuje frekvence ve zvukovém rozsahu přibližně 16 Hz až 20 kHz.
- RF oscilátor produkuje signály v oblasti rádiových frekvencí (RF) přibližně 100 kHz až 100 GHz.
V napájecích zdrojích střídavého proudu se oscilátor, který vyrábí střídavý proud ze stejnosměrného zdroje, obvykle nazývá invertor . Před příchodem diodových usměrňovačů se elektromechanické zařízení, které podobně převádělo střídavý výkon na stejnosměrný proud, nazývalo převaděč, ačkoli termín se nyní častěji používá k označení převodníků DC-DC buck .
Existují dva hlavní typy elektronického oscilátoru - lineární nebo harmonický oscilátor a nelineární nebo relaxační oscilátor .
Křišťálové oscilátory jsou v moderní elektronice všudypřítomné a produkují frekvence od 32 kHz do více než 150 MHz, přičemž krystaly 32 kHz jsou běžné v udržování času a vyšší frekvence jsou běžné při generování hodin a RF aplikacích.
Harmonické oscilátory
Harmonický nebo lineární oscilátor produkuje sinusový výstup. Existují dva typy:
Oscilátor zpětné vazby
Nejběžnější formou lineárního oscilátoru je elektronický zesilovač , jako je tranzistor nebo operační zesilovač, zapojený do zpětnovazební smyčky s výstupem přiváděným zpět do jeho vstupu prostřednictvím frekvenčně selektivního elektronického filtru, který poskytuje pozitivní zpětnou vazbu . Při počátečním zapnutí napájení zesilovače poskytuje elektronický šum v obvodu nenulový signál pro zahájení oscilací. Hluk se šíří po smyčce a je zesílen a filtrován, dokud se velmi rychle sbíhá na sinusové vlně na jediné frekvenci.
Obvody oscilátoru zpětné vazby lze klasifikovat podle typu frekvenčně selektivního filtru, který používají ve zpětnovazební smyčce:
- V obvodu oscilátoru RC je filtr sítí odporů a kondenzátorů . RC oscilátory se většinou používají ke generování nižších frekvencí, například ve zvukovém rozsahu. Běžnými typy obvodů RC oscilátoru jsou oscilátor fázového posunu a oscilátor Wien Bridge .
- V obvodu oscilátoru LC je filtr laděný obvod (často nazývaný obvod nádrže ; laděný obvod je rezonátor ) sestávající z induktoru (L) a kondenzátoru (C) spojených dohromady. Náboj proudí tam a zpět mezi deskami kondenzátoru přes induktor, takže laděný obvod může ukládat elektrickou energii oscilující na své rezonanční frekvenci . V obvodu nádrže jsou malé ztráty, ale zesilovač tyto ztráty kompenzuje a dodává energii pro výstupní signál. LC oscilátory se často používají na rádiových frekvencích , kdy je nezbytný zdroj laditelného kmitočtu, například v generátorech signálu , laditelných rádiových vysílačích a lokálních oscilátorech v rádiových přijímačích . Typickými obvody LC oscilátoru jsou obvody Hartley , Colpitts a Clapp .
- V obvodu krystalového oscilátoru je filtr piezoelektrický krystal (běžně křemenný krystal ). Krystal mechanicky vibruje jako rezonátor a jeho frekvence vibrací určuje frekvenci oscilací. Krystaly mají velmi vysoký faktor Q a také lepší teplotní stabilitu než laděné obvody, takže krystalové oscilátory mají mnohem lepší frekvenční stabilitu než LC nebo RC oscilátory. Krystalové oscilátory jsou nejběžnějším typem lineárního oscilátoru, který se používá ke stabilizaci frekvence většiny rádiových vysílačů a ke generování hodinového signálu v počítačích a křemenných hodinách . Krystalové oscilátory často používají stejné obvody jako LC oscilátory, přičemž krystal nahrazuje laděný obvod ; oscilátor Pierce obvod je také běžně používaný. Krystaly křemene jsou obecně omezeny na frekvence 30 MHz nebo nižší. Jiné typy rezonátorů, dielektrické rezonátory a zařízení pro povrchovou akustickou vlnu (SAW) se používají k ovládání oscilátorů s vyšší frekvencí až do mikrovlnného rozsahu. Oscilátory SAW se například používají ke generování rádiového signálu v mobilních telefonech .
Oscilátor s negativním odporem
Kromě výše popsaných oscilátorů zpětné vazby, které používají dvouportové zesilovací aktivní prvky, jako jsou tranzistory a operační zesilovače, lze lineární oscilátory stavět také pomocí jednoportových (dvou koncových) zařízení s negativním odporem , jako jsou magnetronové trubice, tunelové diody , IMPATT diody a Gunn diody . Oscilátory s negativním odporem se obvykle používají při vysokých frekvencích v mikrovlnném rozsahu a výše, protože při těchto frekvencích oscilátory se zpětnou vazbou fungují špatně kvůli nadměrnému fázovému posunu ve zpětnovazební cestě.
U oscilátorů se záporným odporem je rezonanční obvod, jako je obvod LC , krystalový nebo dutinový rezonátor , připojen k zařízení se záporným diferenciálním odporem a na napájení je aplikováno předpětí DC. Rezonanční obvod sám o sobě je „téměř“ oscilátor; dokáže při buzení ukládat energii ve formě elektronických oscilací, ale protože má elektrický odpor a další ztráty, jsou kmity tlumeny a rozpadají se na nulu. Negativní odpor aktivního zařízení ruší (kladný) vnitřní ztrátový odpor v rezonátoru, ve skutečnosti vytváří rezonátor bez tlumení, který generuje spontánní kontinuální oscilace na své rezonanční frekvenci .
Model oscilátoru s negativním odporem není omezen na jednoportová zařízení, jako jsou diody; obvody oscilátoru zpětné vazby s dvouportovými zesilovacími zařízeními, jako jsou tranzistory a elektronky, mají také negativní odpor. U vysokých frekvencí se v oscilátorech se záporným odporem používají také tři koncová zařízení, jako jsou tranzistory a FET. Na vysokých frekvencích tato zařízení nepotřebují zpětnovazební smyčku, ale s určitým zatížením aplikovaným na jeden port se může stát nestabilním na druhém portu a vykazovat negativní odpor v důsledku vnitřní zpětné vazby. Záporný odporový port je připojen k laděnému obvodu nebo rezonanční dutině, což způsobuje jejich oscilaci. Vysokofrekvenční oscilátory jsou obecně navrženy s použitím technik záporného odporu.
Některé z mnoha obvodů harmonických oscilátorů jsou uvedeny níže:
přístroj | Frekvence |
---|---|
Triodová vakuová trubice | ~ 1 GHz |
Bipolární tranzistor (BJT) | ~ 20 GHz |
Bipolární tranzistor s heterogenním spojením (HBT) | ~ 50 GHz |
Kovový polovodičový tranzistor s efektem pole (MESFET) | ~ 100 GHz |
Gunnova dioda , základní režim | ~ 100 GHz |
Magnetronová trubice | ~ 100 GHz |
Tranzistor s vysokou pohyblivostí elektronů (HEMT) | ~ 200 GHz |
Klystronova trubice | ~ 200 GHz |
Gunnova dioda , harmonický režim | ~ 200 GHz |
IMPATT dioda | ~ 300 GHz |
Gyrotronova trubice | ~ 600 GHz |
- Armstrongův oscilátor , alias Meissnerův oscilátor
- Clappův oscilátor
- Colpittsův oscilátor
- Křížově spojený oscilátor
- Oscilátor Dynatron
- Hartleyův oscilátor
- Optoelektronický oscilátor
- Oscilátor Pierce
- Oscilátor fázového posunu
- Robinsonův oscilátor
- Tri-tet oscilátor
- Vackářův oscilátor
- Oscilátor mostu ve Vídni
Relaxační oscilátor
Nelineární nebo relaxační oscilátor produkuje nesinusový výstup, jako je čtvercová , pilovitá nebo trojúhelníková vlna . Skládá se z prvku pro ukládání energie ( kondenzátor nebo vzácněji induktor ) a nelineárního spínacího zařízení ( západka , Schmittova spoušť nebo prvek s negativním odporem) zapojeného do zpětnovazební smyčky . Spínací zařízení periodicky nabíjí a vybíjí energii uloženou v úložném prvku, což způsobuje náhlé změny výstupního průběhu.
K zajištění hodinového signálu pro sekvenční logické obvody, jako jsou časovače a čítače , se používají relaxační oscilátory se čtvercovými vlnami , ačkoli krystalovým oscilátorům se často dává přednost pro jejich větší stabilitu. V obvodech časové základny, které generují vodorovné vychylovací signály pro katodové trubice v analogových osciloskopech a televizorech, se používají oscilátory s trojúhelníkovými nebo pilovými zuby . Používají se také v napěťově řízených oscilátorech (VCO), měničích a spínacích napájecích zdrojích , analogových a digitálních převodnících s dvojitým sklonem (ADC) a v generátorech funkcí ke generování čtvercových a trojúhelníkových vln pro testovací zařízení. Obecně se relaxační oscilátory používají na nižších frekvencích a mají horší frekvenční stabilitu než lineární oscilátory.
Kruhové oscilátory jsou postaveny z prstence aktivních fází zpoždění. Obecně má prsten lichý počet invertujících stupňů, takže pro vnitřní prstencová napětí neexistuje jediný stabilní stav. Místo toho se jediný přechod nekonečně šíří kolem prstenu.
Některé z běžnějších obvodů relaxačního oscilátoru jsou uvedeny níže:
- Multivibrátor
- Pearson – Ansonův oscilátor
- Kruhový oscilátor
- Oscilátor zpožděné linky
- Royerův oscilátor
Napěťově řízený oscilátor (VCO)
Oscilátor může být navržen tak, aby se oscilační frekvence v určitém rozsahu měnila vstupním napětím nebo proudem. Tyto napěťově řízené oscilátory jsou široce používány ve fázově uzamčených smyčkách , ve kterých lze frekvenci oscilátoru zablokovat na frekvenci jiného oscilátoru. Ty jsou v moderních komunikačních obvodech všudypřítomné, používají se ve filtrech , modulátorech , demodulátorech a tvoří základ obvodů syntetizátoru frekvence, které se používají k ladění rádií a televizorů.
Radiofrekvenční VCO se obvykle vyrábějí přidáním varactorové diody do laděného obvodu nebo rezonátoru v obvodu oscilátoru. Změna stejnosměrného napětí napříč varaktorem mění jeho kapacitu , což mění rezonanční frekvenci laděného obvodu. Napěťově řízené relaxační oscilátory mohou být konstruovány nabíjením a vybíjením kondenzátoru pro skladování energie pomocí zdroje proudu řízeného napětím . Zvýšení vstupního napětí zvyšuje rychlost nabíjení kondenzátoru a zkracuje dobu mezi spínacími událostmi.
Dějiny
První praktické oscilátory vycházely z elektrických oblouků , které se používaly k osvětlení v 19. století. Proud skrz obloukové světlo je nestabilní kvůli svému negativnímu odporu a často se rozpadá na spontánní oscilace, což způsobí, že oblouk vydává syčivé, hučící nebo kvílející zvuky, kterých si všimli Humphry Davy v roce 1821, Benjamin Silliman v roce 1822, Auguste Arthur de la Rive v roce 1846 a David Edward Hughes v roce 1878. Ernst Lecher v roce 1888 ukázal, že proud elektrickým obloukem může být oscilační. Oscilátor sestrojil Elihu Thomson v roce 1892 umístěním LC laděného obvodu paralelně s elektrickým obloukem a zahrnoval magnetický výbuch. Nezávisle, ve stejném roce, si George Francis FitzGerald uvědomil, že pokud by odpor tlumení v rezonančním obvodu mohl být nulový nebo záporný, obvod by produkoval oscilace a neúspěšně se pokusil postavit oscilátor záporného odporu s dynamem, co by nyní se nazývá parametrický oscilátor . Oscilátor oblouku znovu objevil a propagoval William Duddell v roce 1900. Duddell, student londýnské technické školy, zkoumal efekt syčivého oblouku. Připojil LC obvod (laděný obvod) k elektrodám obloukové lampy a záporný odpor obloukové excitované oscilace v laděném obvodu. Část energie byla obloukem vyzařována jako zvukové vlny, které vytvářely hudební tón. Duddell před Londýnským institutem elektrotechniků předvedl svůj oscilátor postupným propojováním různých laděných obvodů napříč obloukem, aby zahrál národní hymnu „ God Save the Queen “. Duddellův „zpěvový oblouk“ negeneroval frekvence nad zvukovým rozsahem. V roce 1902 dánští fyzici Valdemar Poulsen a PO Pederson byli schopni zvýšit frekvenci produkovanou do rádiového dosahu provozováním oblouku ve vodíkové atmosféře s magnetickým polem , čímž vynalezli Poulsenův obloukový rádiový vysílač , první rádiový vysílač s kontinuální vlnou, který byl použit přes 20. léta 20. století.
Zpětnovazební oscilátor vakuové trubice byl vynalezen kolem roku 1912, kdy bylo zjištěno, že zpětná vazba („regenerace“) v nedávno vynalezené zvukové trubici může produkovat oscilace. Tento objev nezávisle provedlo nejméně šest výzkumných pracovníků, i když ne o všech lze říci, že mají roli ve vynálezu oscilátoru. V létě 1912 Edwin Armstrong pozoroval oscilace v obvodech rádiových přijímačů audionu a pokračoval ve využití pozitivní zpětné vazby při svém vynálezu regeneračního přijímače . Rakušan Alexander Meissner nezávisle objevil pozitivní zpětnou vazbu a vynalezl oscilátory v březnu 1913. Irving Langmuir ve společnosti General Electric pozoroval zpětnou vazbu v roce 1913. Fritz Lowenstein možná předcházel ostatním hrubým oscilátorem na konci roku 1911. V Británii HJ Round patentoval zesilovací a oscilační obvody v 1913. V srpnu 1912 Lee De Forest , vynálezce audia, také pozoroval oscilace ve svých zesilovačích, ale nerozuměl významu a pokusil se ho odstranit, dokud si v roce 1914 nepřečetl Armstrongovy patenty, které okamžitě napadl. Armstrong a De Forest svedli vleklou právní bitvu o práva na „regenerační“ obvod oscilátoru, kterému se říká „nejsložitější patentový spor v historii rádia“. De Forest nakonec vyhrál u Nejvyššího soudu v roce 1934 z technických důvodů, ale většina zdrojů považuje Armstrongův požadavek za silnější.
První a nejpoužívanější obvod relaxačního oscilátoru, astabilní multivibrátor , vynalezli v roce 1917 francouzští inženýři Henri Abraham a Eugene Bloch. Říkali, že jejich křížově spojený dvojitý elektronkový obvod je multivibrateur , protože signál čtvercových vln, který produkoval, byl bohatý na harmonické ve srovnání se sinusovým signálem jiných oscilátorů elektronek.
Vakuových trubicových zpětnovazební oscilátory se stal základem pro rádiový přenos od 1920. Nicméně, trioda trubka oscilátor vakuové provádí špatně nad 300 MHz, protože interelectrode kapacitní. Aby se dosáhlo vyšších frekvencí, byly vyvinuty nové vakuové trubice „tranzitního času“ (modulace rychlosti), ve kterých elektrony putovaly v „svazcích“ elektronkou. Prvním z nich byl oscilátor Barkhausen – Kurz (1920), první elektronka vyrábějící energii v rozsahu UHF . Nejdůležitější a nejpoužívanější byly klystron (R. a S. Varian, 1937) a dutinový magnetron (J. Randall a H. Boot, 1940).
Matematické podmínky pro oscilace zpětné vazby, nyní nazývané Barkhausenovo kritérium , byly odvozeny Heinrichem Georgem Barkhausenem v roce 1921. První analýzu nelineárního modelu elektronického oscilátoru, Van der Pol oscilátoru , provedl Balthasar van der Pol v roce 1927. Ukázal, že stabilita oscilací ( mezní cykly ) ve skutečných oscilátorech byla dána nelinearitou zesilovacího zařízení. Vytvořil termín „relaxační oscilace“ a nejprve rozlišoval lineární a relaxační oscilátory. Další pokroky v matematické analýze oscilací dosáhli ve 30. letech 20. století Hendrik Wade Bode a Harry Nyquist . V roce 1969 K. Kurokawa odvodil nezbytné a dostatečné podmínky pro oscilaci v obvodech s negativním odporem, které tvoří základ moderního návrhu mikrovlnného oscilátoru.
Viz také
- Vstřikovací zamčený oscilátor
- Číslicově řízený oscilátor
- Rozšířený interakční oscilátor
- Frekvenční měnič
Reference
- Morse, AH (1925), Radio: Beam and Broadcast: its story and patents , London: Ernest Benn. Historie rádia v roce 1925. Oscilátor tvrdí 1912; Soudní případ De Forest a Armstrong srov. 45. Telefonní hummer/oscilátor od AS Hibbarda v roce 1890 (uhlíkový mikrofon má výkonový zisk); Larsen „použil stejný princip při výrobě střídavého proudu ze zdroje stejnosměrného proudu“; náhodný vývoj oscilátoru elektronky; vše u p. 86. Von Arco a Meissner nejprve rozpoznali aplikaci na vysílač; Kruh pro první vysílač; nikdo patentoval triodový vysílač na str. 87.
Další čtení
- Ulrich Rohde, Ajay Poddar a Georg Bock, The Design of Modern Microwave Oscillators for Wireless Applications: Theory and Optimization, (543 stran) John Wiley & Sons, 2005, ISBN 0-471-72342-8 .
- E. Rubiola, Fázový šum a stabilita frekvence v oscilátorech Cambridge University Press, 2008. ISBN 978-0-521-88677-2 .