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
ELS – podklady k přednáškám  Kyklop 2002
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.
ELS – podklady k přednáškám  Kyklop 2002
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.
ELS – podklady k přednáškám  Kyklop 2002
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
ELS – podklady k přednáškám  Kyklop 2002
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).
ELS – podklady k přednáškám  Kyklop 2002
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.
ELS – podklady k přednáškám  Kyklop 2002
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.
ELS – podklady k přednáškám  Kyklop 2002
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)
ELS – podklady k přednáškám  Kyklop 2002
11