Elektronik osilatör - Electronic oscillator
Bir elektronik osilatör bir bir elektronik devre , bir periyodik üretir salınım elektronik sinyalin, genellikle bir sinüs dalgası ya da bir kare dalga . Osilatörler , doğru akımı (DC) bir güç kaynağından bir alternatif akım (AC) sinyaline dönüştürür. Çıktıkları basitten kadar birçok elektronik cihazlarda kullanılan saat jeneratörler (hesap makineleri gibi), dijital enstrümanlar ve karmaşık bilgisayarlar vb çevre birimlerine osilatör tarafından üretilen sinyallerin yaygın örnekleri tarafından yayınlanan sinyallerin dahil radyo ve televizyon vericileri , saat sinyallerini bilgisayar ve düzenleyen kuvars saatler ve elektronik bipleyiciler ve video oyunları tarafından üretilen sesler .
Osilatörler genellikle çıkış sinyallerinin frekansı ile karakterize edilir :
- Bir düşük frekanslı bir osilatör (LFo) yaklaşık 20 Hz altında bir frekans üreten bir elektronik osilatördür. Bu terim tipik olarak ses sentezleyicileri alanında onu bir ses frekansı osilatöründen ayırmak için kullanılır.
- Bir ses osilatörü, ses aralığında yaklaşık 16 Hz ila 20 kHz frekanslar üretir .
- Bir RF osilatörü , yaklaşık 100 kHz ila 100 GHz radyo frekansı (RF) aralığında sinyaller üretir .
Bir DC kaynağından yüksek güçlü bir AC çıkışı üretmek için tasarlanmış osilatörlere genellikle invertörler denir .
İki ana elektronik osilatör türü vardır - doğrusal veya harmonik osilatör ve doğrusal olmayan veya gevşeme osilatörü .
Kristal osilatörler , modern elektronik cihazlarda her yerde bulunur ve 32 kHz kristalleri zaman tutmada yaygın olan ve saat üretimi ve RF uygulamalarında yaygın olan daha yüksek frekanslar ile 32 kHz'den 150 MHz'nin üzerine frekanslar üretir.
Harmonik osilatör
Geri bildirim osilatörü
Doğrusal osilatörün en yaygın biçimi, pozitif geri besleme sağlamak için çıkışı frekans seçici bir elektronik filtre aracılığıyla girişine geri beslenen bir geri besleme döngüsüne bağlanmış bir transistör veya işlemsel yükseltici gibi bir elektronik amplifikatördür . Amplifikatöre güç kaynağı ilk açıldığında , devredeki elektronik gürültü , salınımların başlatılması için sıfır olmayan bir sinyal sağlar. Gürültü döngü etrafında hareket eder ve tek bir frekansta bir sinüs dalgasında çok hızlı bir şekilde birleşene kadar güçlendirilir ve filtrelenir .
Geri besleme osilatör devreleri, geri besleme döngüsünde kullandıkları frekans seçici filtre türüne göre sınıflandırılabilir:
- Bir RC osilatör devresinde, filtre bir dirençler ve kapasitörler ağıdır . RC osilatörleri çoğunlukla ses aralığında daha düşük frekanslar oluşturmak için kullanılır. Yaygın RC osilatör devreleri, faz kaydırmalı osilatör ve Wien köprü osilatörüdür .
- Bir LC osilatör devresinde filtre, birbirine bağlanmış bir indüktör (L) ve kapasitörden (C) oluşan ayarlanmış bir devredir (genellikle bir tank devresi olarak adlandırılır ; ayarlanmış devre bir rezonatördür ) . Yük, kondansatör plakaları arasında indüktör aracılığıyla ileri geri akar, böylece ayarlanmış devre, rezonans frekansında salınan elektrik enerjisini depolayabilir . Tank devresinde küçük kayıplar vardır, ancak amplifikatör bu kayıpları telafi eder ve çıkış sinyali için güç sağlar. LC osilatörler çoğu zaman kullanılan radyo frekansları ayarlanabilir bir frekans kaynağı, olarak, gerekli olduğu zaman sinyal jeneratörü , ayarlanabilir radyo vericileri ve yerel osilatör olarak radyo alıcıları . Tipik LC osilatör devreleri Hartley , Colpitts ve Clapp devreleridir.
- Bir kristal osilatör devresinde, filtre bir piezoelektrik kristaldir (genellikle bir kuvars kristali ). Kristal mekanik olarak bir rezonatör olarak titreşir ve titreşim frekansı osilasyon frekansını belirler. Kristaller çok yüksek bir Q faktörüne ve ayrıca ayarlanmış devrelerden daha iyi sıcaklık kararlılığına sahiptir, bu nedenle kristal osilatörlerin LC veya RC osilatörlerinden çok daha iyi frekans kararlılığı vardır. Kristal osilatörler, çoğu radyo vericisinin frekansını stabilize etmek ve bilgisayarlarda ve kuvars saatlerde saat sinyalini oluşturmak için kullanılan en yaygın doğrusal osilatör türüdür . Kristal osilatörler genellikle LC osilatörleriyle aynı devreleri kullanır ; kristal, ayarlanmış devrenin yerini alır ; Pierce osilatör devresi, aynı zamanda yaygın olarak kullanılır. Kuvars kristalleri genellikle 30 MHz veya altındaki frekanslarla sınırlıdır. Diğer rezonatörler, dielektrik rezonatörler ve yüzey akustik dalga (SAW) cihazları, mikrodalga aralığına kadar yüksek frekanslı osilatörleri kontrol etmek için kullanılır . Örneğin, SAW osilatörleri cep telefonlarında radyo sinyali üretmek için kullanılır .
Negatif dirençli osilatör
Transistörler ve operasyonel amplifikatörler gibi iki portlu güçlendirici aktif elementler kullanan yukarıda açıklanan geri besleme osilatörlerine ek olarak, lineer osilatörler, magnetron tüpleri, tünel diyotları gibi negatif dirençli tek portlu (iki terminal) cihazlar kullanılarak da oluşturulabilir. , IMPATT diyotları ve Gunn diyotları . Negatif dirençli osilatörler genellikle mikrodalga aralığında ve üzeri yüksek frekanslarda kullanılır , çünkü bu frekanslarda geri besleme osilatörleri, geri besleme yolundaki aşırı faz kayması nedeniyle zayıf performans gösterir.
Negatif dirençli osilatörlerde, bir LC devresi , kristal veya boşluk rezonatörü gibi bir rezonans devresi, negatif diferansiyel dirençli bir cihaza bağlanır ve enerji sağlamak için bir DC öngerilim voltajı uygulanır. Kendi başına bir rezonans devresi "neredeyse" bir osilatördür; uyarılırsa enerjiyi elektronik salınımlar şeklinde depolayabilir, ancak elektrik direnci ve diğer kayıplara sahip olduğu için salınımlar sönümlenir ve sıfıra düşer. Aktif cihazın negatif direnci, rezonatördeki (pozitif) dahili kayıp direncini ortadan kaldırarak, aslında kendi rezonans frekansında spontane sürekli osilasyonlar oluşturan, sönümlemesi olmayan bir rezonatör yaratır .
Negatif dirençli osilatör modeli, diyotlar gibi tek bağlantı noktalı cihazlarla sınırlı değildir; Transistörler ve tüpler gibi iki portlu amplifikatör cihazlarına sahip geri besleme osilatör devreleri de negatif dirence sahiptir. Yüksek frekanslarda, transistörler ve FET'ler bir geri besleme döngüsüne ihtiyaç duymazlar, ancak bir bağlantı noktasına uygulanan belirli yükler diğer bağlantı noktasında kararsız hale gelebilir ve dahili geri besleme nedeniyle negatif direnç göstererek salınmalarına neden olabilir. Genel olarak yüksek frekanslı osilatörler, negatif direnç teknikleri kullanılarak tasarlanmıştır.
Birçok harmonik osilatör devresinden bazıları aşağıda listelenmiştir:
|cihaz||Sıklık|
|Triode vakum tüpü||~ 1 GHz|
|Bipolar transistör (BJT)||~ 20 GHz|
|Heterojunction bipolar transistör (HBT)||~ 50 GHz|
|Metal yarı iletken alan etkili transistör (MESFET)||~ 100 GHz|
|Gunn diyot , temel mod||~ 100 GHz|
|Magnetron tüp||~ 100 GHz|
|Yüksek elektron hareketlilik transistörü (HEMT)||~ 200 GHz|
|Klystron tüp||~ 200 GHz|
|Gunn diyot , harmonik mod||~ 200 GHz|
|IMPATT diyot||~ 300 GHz|
|Gyrotron tüpü||~ 600 GHz|
- Armstrong osilatörü , diğer adıyla Meissner osilatörü
- Clapp osilatör
- Colpitts osilatör
- Çapraz bağlı osilatör
- Dynatron osilatör
- Hartley osilatör
- Opto-elektronik osilatör
- Osilatör
- Faz kaydırmalı osilatör
- Robinson osilatör
- Tri-tet osilatör
- Vackář osilatör
- Wien köprü osilatörü
Gevşeme osilatörü
Doğrusal olmayan veya gevşeme osilatörü , kare , testere dişi veya üçgen dalga gibi sinüzoidal olmayan bir çıktı üretir . Bir geri besleme döngüsüne bağlanmış bir enerji depolama elemanından (bir kapasitör veya daha nadiren bir indüktör ) ve doğrusal olmayan bir anahtarlama cihazından (bir mandal , Schmitt tetikleyici veya negatif direnç elemanı) oluşur . Anahtarlama cihazı, depolama elemanında depolanan enerjiyi periyodik olarak şarj eder ve boşaltır, böylece çıktı dalga biçiminde ani değişikliklere neden olur.
Kare dalga gevşeme osilatörleri, zamanlayıcılar ve sayaçlar gibi sıralı mantık devreleri için saat sinyali sağlamak için kullanılır , ancak kristal osilatörler genellikle daha yüksek kararlılıkları için tercih edilir. Üçgen dalga veya testere dişli osilatörler, analog osiloskoplarda ve televizyon setlerinde katot ışın tüpleri için yatay saptırma sinyallerini üreten zaman tabanı devrelerinde kullanılır . Ayrıca voltaj kontrollü osilatörlerde (VCO'lar), inverterlerde ve anahtarlamalı güç kaynaklarında , çift eğimli analogdan dijitale dönüştürücülere (ADC'ler) ve test ekipmanı için kare ve üçgen dalgalar oluşturmak için işlev jeneratörlerinde kullanılırlar . Genel olarak, gevşeme osilatörleri daha düşük frekanslarda kullanılır ve doğrusal osilatörlere göre daha zayıf frekans kararlılığına sahiptir.
Halka osilatörleri , aktif gecikme aşamalarından oluşan bir halkadan yapılmıştır. Genel olarak, halka tek sayıda ters çevirme aşamasına sahiptir, böylece iç halka voltajları için tek bir kararlı durum yoktur. Bunun yerine, tek bir geçiş halka etrafında sonsuz bir şekilde yayılır.
Daha yaygın gevşeme osilatör devrelerinden bazıları aşağıda listelenmiştir:
Voltaj kontrollü osilatör (VCO)
Bir osilatör, salınım frekansı bir giriş voltajı veya akımı ile belirli bir aralıkta değiştirilebilecek şekilde tasarlanabilir. Bu voltaj kontrollü osilatörler , osilatörün frekansının başka bir osilatörün frekansına kilitlenebildiği faz kilitli döngülerde yaygın olarak kullanılmaktadır . Bunlar, filtrelerde , modülatörlerde , demodülatörlerde kullanılan ve radyo ve televizyonları ayarlamak için kullanılan frekans sentezleyici devrelerinin temelini oluşturan modern iletişim devrelerinde her yerde bulunur .
Radyo frekansı VCO'lar genellikle bir osilatör devresindeki ayarlanmış devreye veya rezonatöre bir varaktör diyot eklenerek yapılır . Varaktör boyunca DC voltajını değiştirmek, kapasitansını değiştirir ve bu da ayarlanmış devrenin rezonans frekansını değiştirir . Gerilim kontrollü gevşeme osilatörleri, enerji depolama kapasitörünün gerilim kontrollü bir akım kaynağı ile şarj edilmesi ve boşaltılmasıyla yapılabilir . Giriş voltajının artırılması, kondansatörün şarj oranını artırarak anahtarlama olayları arasındaki süreyi azaltır.
Tarih
İlk pratik osilatörler , 19. yüzyılda aydınlatma için kullanılan elektrik arklarına dayanıyordu . Bir ark ışığından geçen akım , negatif direncinden dolayı kararsızdır ve genellikle arkın tıslama, uğultu veya uluma sesleri çıkarmasına neden olarak , 1821'de Humphry Davy , 1822'de Benjamin Silliman , Auguste Arthur de 1846'da la Rive ve 1878'de David Edward Hughes . 1888'de Ernst Lecher , elektrik arkından geçen akımın salınımlı olabileceğini gösterdi. 1892'de Elihu Thomson tarafından bir elektrik arkına paralel olarak bir LC ayarlı devre yerleştirilerek bir osilatör inşa edildi ve bir manyetik patlama dahil edildi. Bağımsız olarak, aynı yıl George Francis FitzGerald , bir rezonans devresindeki sönümleme direncinin sıfır veya negatif hale getirilebilmesi durumunda devrenin salınımlar üreteceğini ve başarısız bir şekilde bir dinamo ile negatif dirençli bir osilatör inşa etmeye çalıştığını fark etti. şimdi parametrik osilatör olarak adlandırılabilir . Ark osilatörü, 1900'de William Duddell tarafından yeniden keşfedildi ve popüler hale getirildi . London Technical College'da bir öğrenci olan Duddell, tıslama ark etkisini araştırıyordu. Bir ark lambasının elektrotlarına bir LC devresi (ayarlı devre) bağladı ve arkın negatif direnci, ayarlanmış devrede salınım uyardı. Enerjinin bir kısmı ark tarafından ses dalgaları olarak yayıldı ve müzikal bir ton üretildi. Duddell, osilatörünü Londra Elektrik Mühendisleri Enstitüsü önünde, " God Save the Queen " ulusal marşını çalmak için ark boyunca farklı ayarlanmış devreleri sırayla bağlayarak gösterdi . Duddell'in "şarkı yayı", ses aralığının üzerinde frekanslar oluşturmadı. 1902'de Danimarkalı fizikçiler Valdemar Poulsen ve PO Pederson, arkı manyetik alanlı bir hidrojen atmosferinde çalıştırarak radyo menzilinde üretilen frekansı artırmayı başardılar ve kullanılan ilk sürekli dalga radyo vericisi olan Poulsen ark radyo vericisini icat ettiler. 1920'ler boyunca.
Vakum borulu geri besleme osilatörü, 1912 civarında, yakın zamanda icat edilen işitme vakum tüpündeki geri beslemenin ("rejenerasyon") salınımlar üretebileceği keşfedildiğinde icat edildi . Osilatörün icadında hepsinin bir rolü olduğu söylenemese de, en az altı araştırmacı bağımsız olarak bu keşfi yaptı. 1912 yazında Edwin Armstrong , radyo alıcı devrelerindeki salınımları gözlemledi ve rejeneratif alıcı icatında olumlu geri bildirim kullanmaya devam etti . Avusturyalı Alexander Meissner bağımsız olarak olumlu geribildirim keşfetti ve Mart 1913'te osilatörler icat etti . General Electric'ten Irving Langmuir , 1913'te geri bildirimi gözlemledi. Fritz Lowenstein, 1911'in sonlarında kaba bir osilatörle diğerlerinden önce gelmiş olabilir. İngiltere'de, HJ Round patentli yükseltme ve salınım devreleri 1913. Ağustos 1912'de, seçmenin mucidi Lee De Forest , amplifikatörlerinde de salınımlar gözlemlemişti, ancak önemini anlamadı ve 1914'te Armstrong'un patentlerini okuyana kadar onu ortadan kaldırmaya çalıştı ve hemen itiraz etti. Armstrong ve De Forest, "radyo tarihindeki en karmaşık patent davası" olarak adlandırılan "rejeneratif" osilatör devresinin hakları konusunda uzun süreli bir hukuk mücadelesi verdi. De Forest nihayetinde 1934'te teknik gerekçelerle Yüksek Mahkeme önünde kazandı, ancak çoğu kaynak Armstrong'un iddiasını daha güçlü olarak görüyor.
İlk ve en çok kullanılan gevşeme osilatör devresi, kararsız multivibratör , 1917'de Fransız mühendisler Henri Abraham ve Eugene Bloch tarafından icat edildi. Çapraz bağlı, çift vakumlu tüp devresine multivibratör adını verdiler , çünkü ürettiği kare dalga sinyali, diğer vakum tüplü osilatörlerin sinüzoidal sinyaline kıyasla harmonik bakımından zengindi .
Vakum tüplü geri besleme osilatörleri 1920'de radyo iletiminin temeli haline geldi. Bununla birlikte, triod vakum tüplü osilatör, elektrotlar arası kapasitans nedeniyle 300 MHz'nin üzerinde zayıf bir performans gösterdi. Daha yüksek frekanslara ulaşmak için, elektronların tüp içinde "demetler" halinde hareket ettiği yeni "geçiş zamanı" (hız modülasyonu) vakum tüpleri geliştirildi. Bunlardan ilki , UHF serisinde güç üreten ilk tüp olan Barkhausen-Kurz osilatörüdür (1920) . En önemli ve yaygın olarak kullanılanlar klystron (R. ve S. Varian, 1937) ve boşluk magnetron (J. Randall ve H. Boot, 1940) idi.
Şimdi adı geri besleme salınımlar, matematiksel koşullar Barkhausen kriter ile elde edilmiştir Heinrich Georg Barkhausen doğrusal olmayan bir elektronik osilatör modeli, ilk analizi 1921'de Van Pol der osilatör tarafından yapıldı Pol der Balthasar van 1927'de O gösterdi Gerçek osilatörlerde salınımların ( sınır döngüleri ) kararlılığı , amplifiye edici cihazın doğrusal olmamasından kaynaklanıyordu . "Gevşeme osilasyonu" terimini yarattı ve ilk olarak doğrusal ve gevşeme osilatörlerini birbirinden ayırdı. Salınımın matematiksel analizinde daha fazla ilerleme , 1930'larda Hendrik Wade Bode ve Harry Nyquist tarafından yapılmıştır . 1969'da K. Kurokawa, modern mikrodalga osilatör tasarımının temelini oluşturan negatif direnç devrelerinde salınım için gerekli ve yeterli koşulları elde etti.
Ayrıca bakınız
- Enjeksiyon kilitli osilatör
- Sayısal kontrollü osilatör
- Genişletilmiş etkileşimli osilatör
- Değişken frekanslı sürücü
Referanslar
- Morse, AH (1925), Radyo: Işın ve Yayın: Hikayesi ve patentleri , Londra: Ernest Benn. 1925'te radyonun tarihi. Osilatör 1912'yi iddia ediyor; De Forest ve Armstrong mahkemesi davası cf s. 45. 1890'da AS Hibbard tarafından telefon hummer / osilatör (karbon mikrofonun güç kazanımı vardır); Larsen, "bir doğru akım kaynağından alternatif akım üretiminde aynı prensibi kullandı"; vakum tüplü osilatörün kazara gelişimi; hepsi s. 86. Vericiye yapılan uygulamayı ilk tanıyan Von Arco ve Meissner; İlk verici için yuvarlak; kimse p'de triyot vericisini patentlemedi. 87.
daha fazla okuma
- Ulrich Rohde, Ajay Poddar ve Georg Bock, Kablosuz Uygulamalar için Modern Mikrodalga Osilatörlerinin Tasarımı: Teori ve Optimizasyon, (543 sayfa) John Wiley & Sons, 2005, ISBN 0-471-72342-8 .
- E. Rubiola, Osilatörlerde Faz Gürültüsü ve Frekans Kararlılığı Cambridge University Press, 2008. ISBN 978-0-521-88677-2 .
|Wikimedia Commons, Elektronik osilatörlerle ilgili medyaya sahiptir .|