Oscillator kredsløb

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

Et oscillatorkredsløb er en elektronisk implementeret oscillator (derfor også kaldet oscillator for kort) til generering af en sinusformet vekselstrøm . [Bemærk 1]

Grundlæggende kredsløb for en faseskiftgenerator til næsten sinusformede udgangsspændinger

Der er blandt andet følgende muligheder for at oprette et sådant kredsløb:

Vibrationstilstand

Feedback forstærker

Kollektorspænding af en kortbølge-oscillator umiddelbart efter tænding, indtil amplitudegrænsen anvendes

Forstærkere kan blive en oscillator med passende feedback . [Bemærk 2] Oscillationsbetingelserne, der oprindeligt blev formuleret i stabilitetskriteriet af Barkhausen , fører til permanent oscillation på en lineær feedback -forstærker med en bestemt frekvens . De læser tydeligt:

  1. Loopforstærkningen skal være nøjagtig 1 for stabil oscillation. [2]
  2. Faseskiftet af feedback -sløjfen skal være et integreret multiplum på 360 ° ved denne frekvens.

I den teoretiske model ville en loopforstærkning, der endda lidt overstiger værdien 1, føre til en uendelig stigning i oscillationen. Så at oscillatoren begynder at oscillere uafhængigt ("af sig selv"), skal værdien 1 først overskrides (se billede). Denne modsigelse fører til undersøgelser af oscillationsadfærden og nedbrydning af vibrationerne og repræsenteres af tilsvarende karakteristiske kurver. Man taler også om en hård eller blød vibrationsindsats. Den fysiske baggrund er hovedsageligt dannet af to fænomener:

  1. Forstærkningen afhænger af betjeningspunktet og kan stige (hård vibrationsapplikation) eller formindske (blød vibrationsapplikation) med stigende modulering af forstærkeren. [Bemærk 3]
  2. Hvis modulationen er høj, er det forstærkede signal (oscillationen) begrænset.

I virkeligheden er amplituden begrænset (strømforsyningen til forstærkeren fra strømforsyningen er begrænset).

Beskrivelse i detaljer

Princippet for feedbackoscillatoren

Feedbackoscillatorer består af en forstærker og et passivt, frekvensafhængigt netværk. Forstærkerens udgang føder netværksindgangen. Outputtet fra netværket er forbundet til forstærkerindgangen (feedback). Du kan mentalt afbryde feedbacklinjen, og i stedet for det lukkede kredsløb får du en transmissionskæde med input (E) og output (A). Ved de samme betingelser som i det lukkede kredsløb skal fasepositionen for udgangssvingningen (φ3) matche fasestillingen for indgangssvingningen (φ1) (fasetilstand).

Hvis forstærkeren selv forårsager et faseskift på 180 ° og signaludbredelsestiden er nul, skal netværket forårsage et yderligere faseskift på 180 ° i mindst en frekvens for at opnå et totalt faseskift på 360 ° = 0 °. Det frekvensafhængige faseskift er vist i et faseresponsdiagram.

I tilfælde af faseskiftoscillatoren består netværket af (mindst) tre RC -elementer forbundet i serie (lave eller høje gennemgange). Hvis hvert af disse elementer forårsager en fasedrejning på 60 °, er tre RC -elementer tilstrækkelige til en total fasedrejning på 180 °. Hvis forstærkeren ikke er overdrevet, er den genererede vekselstrøm sinusformet.

Negativ modstand

Et tabende resonanskredsløb kan være dæmpet af en komponent med negativ differentialmodstand , f.eks. En tunneldiode eller lambdadiode , og genererer derefter vekselstrøm. Betingelsen er, at den samlede modstand er nul. Den energi, der kræves til drift, leveres af en ekstern strømforsyningsenhed eller et batteri. [3] En sådan modstand med en faldende karakteristik kan også genereres ved positiv feedback .

I tilfælde af andre oscillatortopologier, som f.eks. Er baseret på den negative karakteristiske kurve, såsom afslapningsoscillatoren (se nedenfor), har stabilitetskriteriet ingen direkte reference.

kvalitet

Fasestøj fra en PLL -oscillator i SW -området. I tilfælde af en kvartsoscillator ville den tilsvarende egenskab være en næsten lodret linje på billedets venstre kant.

Kvaliteten af ​​en oscillator bedømmes generelt af stabiliteten af amplitude , frekvens og fase . Hvis udsvingene kun kan beskrives statistisk, omtales de som støj . Fasestøj ( jitter ), der karakteriserer følsomheden af ​​en heterodyne modtager i umiddelbar nærhed af et stærkt signal, er det eneste almindelige udtryk, der bruges her. Stabilitet mod udsving i temperatur og forsyningsspænding er også vigtig, selvom der er betydelige forskelle: Relaxations- og ringoscillatorer er meget følsomme over for ændringer i driftsspændingen. I tilfælde af oscillatorer med et resonanskredsløb er denne afhængighed meget lav, og for krystaloscillatorer er den ubetydelig.

Et andet vigtigt kriterium for f.eks. Måleudstyr er nøjagtigheden, hvormed den ønskede kurveform genereres. Med sinusformede oscillatorer kan dette ganske enkelt beskrives ved forvrængningsfaktoren . Selvom dette kriterium primært bruges til sinusformede svingninger, gælder dette kriterium også for andre signalformer.

brug

Umodulerede oscillatorer bruges til at generere computerfrekvenser eller elektriske ure.

Med modulerede oscillatorer påvirkes amplitude, frekvens eller fase inden for visse grænser af yderligere komponenter. Det betyder, at meddelelser kan overføres ved modulering . Dette er vant til

Kategorisering

Resonansoscillatorer

I tilfælde af en resonansoscillator bestemmes den genererede frekvens af et oscillerende kredsløb , en kvartsoscillator eller en keramisk resonator . Resonansoscillatoren leverer normalt en frekvensstabil sinusformet oscillation .

Dette inkluderer også magnetronen , selvom den også er en time-of- flight oscillator .

Det vigtigste anvendelsesområde for sinusbølgeoscillatorerne er radioteknologi.

Man sørger altid for at sikre, at resonatoren har en tilstrækkelig høj kvalitetsfaktor,båndbredden af det genererede signal begrænses til resonansfrekvensens nære nærhed. Dette reducerer andelen af harmoniske i udgangssignalet, selvom forstærkerelementet, for eksempel en transistor, er overdrevet og faktisk genererer stærke harmoniske. I modsætning til en Wien-Robinson-oscillator , for eksempel, leverer resonansoscillatorer et godt sinusformet signal, selv uden amplitudestabilisering.

Runtime oscillatorer

Gunn -diodeoscillatoren bruger elektronernes transittid i en krystal

I tilfælde af transittidsoscillatorer bestemmer transittiden for impulser i visse kredsløbsdele oscillationsperioden og dermed frekvensen. Ringoscillatoren med dens inverterkæde bruges her som et eksempel. Men oscillatorer som refleks -klystron og en Gunn -diodeoscillator tilhører også denne kategori, selvom begge har oscillerende kredsløb. I faseskiftoscillatorer genereres signaludbredelsestiden af ​​RC -elementer. Der er et område med overlapning med afslapningsoscillatorerne, fordi de tidsbestemmende RC-elementer der også kan ses som forsinkelseselementer. Frekvensstabiliteten er generelt temmelig middelmådig.

Afslapningsoscillator

En afslapningsoscillator er en vippende oscillator . Det er ikke en oscillator i streng forstand, da den normalt ikke genererer en sinusbølge. Frekvensen bestemmes typisk af afladningsprocesserne for en kondensator i et RC -element. Når kondensatorspændingen når en bestemt værdi, skiftes udgangsspændingen (den "vender"), og kondensatoren genoplades. De mest kendte kredsløb er multivibrator og vippende oscillator. Firkantede eller trekantede bølger kan opsamles på passende steder i kredsløbet. Da, ud over et RC-element, tærskelspændingen for den involverede flip-flop også påvirker stabiliteten, er afslapningsoscillatorer meget mere ustabile end resonansoscillatorer og kan derfor ikke bruges i radioteknologi. Denne lette evne til at blive påvirket bruges i elektroniske sirener eller i digital måleteknologi, for eksempel i spændingsfrekvensomformere.

Klassificering af oscillator kredsløb
efter princippet ifølge bølgeformen ved opfinderens navn efter den tilsigtede anvendelse

Oscillatorkredsløb med differentialforstærkere

Moderne oscillatorer undgå ulemperne ved de klassiske oscillatorkredsløb opfundet omkring 100 år siden (såsom Meißner kredsløb , Hartley kredsløb , Colpitts kredsløb ), som kan generere uønskede parasitiske svingninger af et par gigahertz og har tendens til lavfrekvente gennemslagsspænding svingninger hvis komponenterne ikke er dimensioneret godt eller har en mærkbart forskellig fra den sinusformede bølgeform.

Et muligt kredsløb bruger en differentialforstærker med to transistorer og er kendetegnet ved sin meget godmodige adfærd (se differentialforstærkeroscillator ). Billederne nedenfor viser en variant med NPN -transistorer, hvormed - afhængigt af data fra resonanskredsløbet - frekvenser i området 0,05 MHz til 40 MHz kan genereres uden at ændre andre komponenter. I det andet kredsløb blev PNP -transistorer brugt, og komponenternes værdier blev dimensioneret til frekvenser i området fra 1 Hz til 500 kHz. I dette kredsløb har resonanskredsløbet et nulpotentiale, hvilket er fordelagtigt for nogle applikationer (som regel er den negative pol referencepunktet for alle målinger).

Den genererede oscillations spektralrenhed er bedre, hvis feedbacken er så svag, at den bare er tilstrækkelig til pålidelig oscillation. Med differentialforstærkere sætter amplitudebegrænsningen også mere skånsomt ind end med andre oscillator kredsløb. Dette reducerer det harmoniske indhold.

Se også

Weblinks

Commons : Elektroniske oscillatorer - Samling af billeder, videoer og lydfiler

litteratur

Bemærkninger

  1. I "Fachwissen Elektrotechnik" Verlag Handwerk und Technik samt Tietze / Schenk omtales oscillatorer konsekvent som sinusformede oscillationsgeneratorer, hvorimod astable multivibratorer betegnes som signalgeneratorer. Da "generering" betyder at producere, oscillare til rock, ville det passende generiske udtryk være "signalgeneratorer". I mangel af klar præcisering bruges "elektrisk oscillator" i øjeblikket som en generisk betegnelse i Wikipedia. Kvadratbølge generatorer og lignende kunne derfor også tematisk adskilles fra oscillatorerne.
  2. ^ Vanskeligheden her ligger i ordet "egnet". Med klar overdrivelse udtrykte praktiserende læger det: "En oscillator vibrerer aldrig, en forstærker altid."
  3. ^ Forstærkerens ikke-lineære egenskaber kan føre til, at der opbygges en spænding på en kondensator, der forskyder driftspunktet så langt, at svingningerne bryder af. I et sådant tilfælde kan der opstå (sinusformede) vibrationer, der moduleres med vippende vibrationer (afslapningsvibrationer). Den enkle lineære model er derfor ikke tilstrækkelig i praksis til at beskrive en oscillator tilstrækkeligt.

Individuelle beviser

  1. Wienbro -oscillator ( erindring fra 10. juni 2007 i internetarkivet ) (PDF; 65 kB)
  2. Kent H. Lundberg: Barkhausen Stabilitetskriterium . , 14. november 2002
  3. Oscillationer og regenerativ forstærkning ved hjælp af negativ modstand . (PDF; 362 kB)