Elektroninen oskillaattori - Electronic oscillator

Suosittu op-amp- rentoutusoskillaattori .

Sähköinen oskillaattori on elektroninen piiri , joka tuottaa määräajoin, värähtelevän elektronisen signaalin, usein siniaallolla tai neliön aalto tai kolmion aalto . Oskillaattorit muuttavat tasavirran (DC) virtalähteestä vaihtovirtaan (AC). Niitä käytetään laajalti monissa elektronisissa laitteissa aina yksinkertaisimmista kelligeneraattoreista digitaalisiin instrumentteihin (kuten laskimiin) ja monimutkaisiin tietokoneisiin ja oheislaitteisiin jne. Yleisiä esimerkkejä oskillaattorien tuottamista signaaleista ovat radio- ja televisiolähettimien lähettämät signaalit , kellosignaalit, jotka säätelevät tietokoneita ja kvartsia kellot ja elektronisten piippausten ja videopelien tuottamat äänet .

Oskillaattoreille on usein ominaista niiden lähtösignaalin taajuus :

  • Matalataajuinen oskillaattorin (LFO) on sähköinen oskillaattori, joka generoi taajuus alle noin 20 Hz. Tätä termiä käytetään tyypillisesti alalla audio syntetisaattoreita , jotta se erottuisi äänitaajuus oskillaattori.
  • Audio oskillaattori tuottaa taajuuksia äänen alueella, noin 16 Hz 20 kHz.
  • RF -oskillaattori tuottaa signaaleja radiotaajuusalueella (RF) noin 100 kHz - 100 GHz.

Vaihtovirtalähteissä oskillaattoria, joka tuottaa vaihtovirtaa tasavirtalähteestä, kutsutaan yleensä invertteriksi . Ennen diodipohjaisten tasasuuntaajien tuloa sähkömekaanista laitetta, joka muutti vastaavasti vaihtovirran DC: ksi, kutsuttiin muuntimeksi, vaikka termiä käytetään nykyään yleisemmin DC-DC- buck-muuntimiin .

Sähköisiä oskillaattoreita on kahta päätyyppiä - lineaarinen tai harmoninen oskillaattori ja epälineaarinen tai rentoutusoskillaattori .

Kristallioskillaattorit ovat kaikkialla läsnä nykyaikaisessa elektroniikassa ja tuottavat taajuuksia 32 kHz - yli 150 MHz.

1 MHz: n elektroninen oskillaattoripiiri, joka käyttää sisäisen kvartsikiteen resonanssiominaisuuksia taajuuden säätämiseen. Tarjoaa kellosignaalin digitaalisille laitteille, kuten tietokoneille.

Harmoniset oskillaattorit

Takaisinkytkennän lineaarisen oskillaattorin lohkokaavio; vahvistin sen lähtö v o syötetään takaisin sen tulo v f läpi suodattimen , β (jw) .

Harmoninen tai lineaarinen oskillaattori tuottaa sinimuotoisen lähdön. On olemassa kahta tyyppiä:

Palauteoskillaattori

Yleisin lineaarioskillaattorin muoto on elektroninen vahvistin , kuten transistori tai operaatiovahvistin, joka on kytketty takaisinkytkentäsilmukkaan ja jonka ulostulo syötetään takaisin tuloonsa taajuusselektiivisen elektronisen suodattimen kautta positiivisen palautteen aikaansaamiseksi . Kun vahvistimen virransyöttö kytketään aluksi päälle, piirin elektroninen kohina antaa nollasta poikkeavan signaalin värähtelyjen käynnistämiseksi. Melu kulkee silmukan ympäri ja sitä vahvistetaan ja suodatetaan, kunnes se nopeasti yhtyy siniaaltoon yhdellä taajuudella.

Takaisinkytkentäpiirin oskillaattoripiirit voidaan luokitella sen mukaan, millaista taajuusselektiivistä suodatinta ne käyttävät takaisinkytkennässä:

Kaksi yleistä LC -oskillaattoripiiriä, Hartley- ja Colpitts -oskillaattorit

Negatiivisen vastuksen oskillaattori

(vasemmalla) Negatiivisen vastuksen oskillaattorin tyypillinen lohkokaavio. Joissakin tyypeissä negatiivinen vastuslaite on kytketty rinnakkain resonanssipiirin kanssa. (oikealla) Negatiivinen vastus mikroaalto-oskillaattorin, joka koostuu Gunn-diodi on onteloresonaattorin . Diodin negatiivinen vastus herättää ontelossa olevia mikroaaltojen värähtelyjä, jotka säteilevät aukosta aaltoputkeen .

Edellä kuvattujen takaisinkytkentäoskillaattorien lisäksi, jotka käyttävät kaksiporttisia vahvistavia aktiivisia elementtejä, kuten transistoreita ja operaatiovahvistimia, lineaarisia oskillaattoreita voidaan rakentaa myös käyttämällä yhden portin (kaksi päätelaitetta), joilla on negatiivinen vastus , kuten magnetroniputket , tunnelidiodit , IMPATT- ja Gunn -diodit . Negatiivisen vastuksen oskillaattoreita käytetään yleensä korkeilla taajuuksilla mikroaaltoalueella ja sitä korkeammalla, koska näillä taajuuksilla takaisinkytkentäoskillaattorit toimivat huonosti takaisinkytkentäpolun liiallisen vaihesiirron vuoksi.

Negatiivisen vastuksen oskillaattoreissa resonanssipiiri, kuten LC-piiri , kide tai onkaloresonaattori , on kytketty laitteen yli, jolla on negatiivinen differentiaalivastus , ja DC-esijännite syötetään energian syöttämiseen. Resonanssipiiri itsessään on "melkein" oskillaattori; se voi varastoida energiaa elektronisten värähtelyjen muodossa jännittyneenä, mutta koska sillä on sähköinen vastus ja muut häviöt, värähtelyt vaimenevat ja hajoavat nollaan. Aktiivisen laitteen negatiivinen vastus kumoaa (positiivisen) sisäisen häviöresistanssin resonaattorissa, jolloin syntyy resonaattori ilman vaimennusta, joka synnyttää spontaania jatkuvia värähtelyjä resonanssitaajuudellaan .

Negatiivisen vastuksen oskillaattorimalli ei rajoitu yhden portin laitteisiin, kuten diodeihin; Takaisinkytkentäoskillaattoripiireillä, joissa on kaksiporttiset vahvistinlaitteet, kuten transistorit ja putket, on myös negatiivinen vastus. Korkeilla taajuuksilla kolme päätelaitetta, kuten transistorit ja FET: t, käytetään myös negatiivisen vastuksen oskillaattoreissa. Korkeilla taajuuksilla nämä laitteet eivät tarvitse takaisinkytkentäsilmukkaa, mutta tietyillä kuormilla yhteen porttiin voi tulla epävakaa toisessa portissa ja osoittaa negatiivista vastusta sisäisen palautteen vuoksi. Negatiivinen vastusportti on kytketty viritettyyn piiriin tai resonanssionteloon, mikä aiheuttaa niiden värähtelyn. Suuritaajuiset oskillaattorit on yleensä suunniteltu negatiivisen vastuksen tekniikoilla.

Jotkut monista harmonisista oskillaattoripiireistä on lueteltu alla:

Oskillaattoreissa käytettävät aktiiviset laitteet ja likimääräiset enimmäistaajuudet
Laite Taajuus
Triode imuputki ~ 1 GHz
Bipolaarinen transistori (BJT) ~ 20 GHz
Heterojunction bipolaarinen transistori (HBT) ~ 50 GHz
Metalli-puolijohdekenttitransistori (MESFET) ~ 100 GHz
Gunn -diodi , perustila ~ 100 GHz
magnetroni putki ~ 100 GHz
Korkea elektronien liikkuvuus transistori (HEMT) ~ 200 GHz
Klystron putki ~ 200 GHz
Gunn -diodi , harmoninen tila ~ 200 GHz
IMPATT diodi ~ 300 GHz
Gyrotron -putki ~ 600 GHz

Rentoutusoskillaattori

Pääartikkeli: Rentoutusoskillaattori

Epälineaarinen tai rentoutusoskillaattori tuottaa ei-sinimuotoisen lähdön, kuten neliön , sahahampaan tai kolmion aallon . Se koostuu energiaa varastoivasta elementistä ( kondensaattori tai harvemmin induktori ) ja epälineaarisesta kytkentälaitteesta ( salpa , Schmitt-liipaisin tai negatiivinen vastuselementti), jotka on kytketty takaisinkytkentäsilmukkaan . Kytkinlaite lataa ja purkaa määräajoin varastoelementtiin varastoitua energiaa aiheuttaen siten äkillisiä muutoksia lähtöaaltomuodossa.

Neliö-aalto rentoutuminen oskillaattoreita käytetään antamaan kellosignaalin varten juokseva logiikan piirejä, kuten ajastimet ja laskurit , vaikka kideoskillaattorit ovat usein edullisia niiden vakautta. Kolmioaalto- tai sahahammasoskillaattoreita käytetään aikapiiripiireissä, jotka tuottavat vaakasuuntaisia ​​taipumissignaaleja katodisädeputkille analogisissa oskilloskoopeissa ja televisioissa . Niitä käytetään myös jänniteohjattuihin oskillaattoreihin (VCO), inverttereihin ja kytkentävirtalähteisiin , kaksikallokkeisista analogisista digitaalisiin muuntimiin (ADC) ja toimintogeneraattoreihin neliö- ja kolmioaaltojen luomiseksi laitteiden testaamiseen. Yleensä rentoutusoskillaattoreita käytetään matalammilla taajuuksilla ja niillä on huonompi taajuuden vakaus kuin lineaarisilla oskillaattoreilla.

Rengasoskillaattorit on rakennettu aktiivisen viiveasteen renkaasta. Yleensä renkaassa on pariton määrä käänteisiä vaiheita, joten sisäisille rengasjännitteille ei ole yhtä vakaata tilaa. Sen sijaan yksi siirtymä etenee loputtomasti renkaan ympäri.

Jotkut yleisimmistä rentoutumisoskillaattoripiireistä on lueteltu alla:

Jänniteohjattu oskillaattori (VCO)

Pääartikkeli: Jänniteohjattu oskillaattori

Oskillaattori voidaan suunnitella siten, että värähtelytaajuutta voidaan muuttaa jollakin alueella tulojännitteellä tai -virralla. Näitä jänniteohjattuja oskillaattoreita käytetään laajalti vaihelukituissa silmukoissa , joissa oskillaattorin taajuus voidaan lukita toisen oskillaattorin taajuuteen. Nämä ovat kaikkialla läsnä nykyaikaisissa viestintäpiireissä, joita käytetään suodattimissa , modulaattoreissa , demodulaattoreissa ja jotka muodostavat perustan taajuussyntetisaattoripiireille, joita käytetään radioiden ja televisioiden virittämiseen.

Radiotaajuus VCOs tehdään yleensä lisäämällä varactor diodin viritetty piiri tai resonaattorin oskillaattoripiirin. DC -jännitteen muuttaminen varaktorin yli muuttaa sen kapasitanssia , mikä muuttaa viritetyn piirin resonanssitaajuutta . Jänniteohjattuja rentoutusoskillaattoreita voidaan rakentaa lataamalla ja purkaamalla energian varastointikondensaattori jänniteohjatulla virtalähteellä . Tulojännitteen lisääminen lisää kondensaattorin latausnopeutta ja lyhentää kytkentätapahtumien välistä aikaa.

Historia

Ensimmäiset käytännölliset oskillaattorit perustuivat sähkökaariin , joita käytettiin valaistukseen 1800 -luvulla. Nykyinen kautta kaarilamput on epävakaa, koska sen negatiiviset vastarintaa , ja usein särkyy spontaani värähtelyjä, jolloin kaaren tehdä sihisevää humina tai ulinaa ääniä joka oli huomannut Humphry Davy vuonna 1821, Benjamin Silliman vuonna 1822, Auguste Arthur de la Rive vuonna 1846 ja David Edward Hughes vuonna 1878. Ernst Lecher vuonna 1888 osoitti, että sähkökaaren kautta kulkeva virta voi olla värähtelevä. Elihu Thomson rakensi oskillaattorin vuonna 1892 sijoittamalla LC -viritetyn piirin rinnakkain sähkökaaren kanssa ja sisältäen magneettisen puhalluksen. George Francis FitzGerald ymmärsi itsenäisesti samana vuonna, että jos vaimennusvastus resonanssipiirissä voitaisiin tehdä nollaksi tai negatiiviseksi, piiri aiheuttaisi värähtelyjä, ja epäonnistuneesti yritti rakentaa negatiivisen vastuksen oskillaattorin dynamolla. kutsutaan nyt parametriseksi oskillaattoriksi . William Duddell löysi ja suositteli valokaaren oskillaattoria uudelleen vuonna 1900. Lontoon teknillisen korkeakoulun opiskelija Duddell tutki suhisevaa valokaaren vaikutusta. Hän kiinnitti LC -piirin (viritetty piiri) valolampun elektrodeihin ja kaaren negatiivinen vastus viritti värähtelyn viritetyssä piirissä. Kaari säteili osan energiasta ääniaaltoina ja tuotti musiikillisen sävyn. Duddell esitteli oskillaattorinsa Lontoon sähköinsinöörien instituutissa yhdistämällä peräkkäin eri viritettyjä piirejä kaaren yli ja soittamaan kansallislaulun " Jumala pelasta kuningatar ". Duddellin "laulukaari" ei tuottanut äänialueen yläpuolella olevia taajuuksia. Vuonna 1902 Tanskan fyysikot Valdemar Poulsen ja PO Pederson pystyneet kasvattamaan taajuutta tuotettu radioon alue käyttämällä kaaren vetyilmakehässä magneettikentän kanssa, keksi Poulsen kaari radiolähetin , ensimmäisen jatkuvan aallon radiolähetin, joka on käytetty 1920 -luvulle asti.

120 MHz: n oskillaattori vuodelta 1938 käyttäen yhdensuuntaista sauvaa siirtolinjan resonaattoria ( Lecher -linja ). Siirtolinjoja käytetään laajalti UHF -oskillaattoreissa.

Tyhjiö-putki palaute oskillaattorin keksittiin noin 1912, kun havaittiin, että palaute ( "regenerointi") on äskettäin keksitty audion imuputki voi tuottaa värähtelyjä. Ainakin kuusi tutkijaa teki itsenäisesti tämän löydön, vaikka kaikkien ei voida sanoa voivan osallistua oskillaattorin keksimiseen. Kesällä 1912 Edwin Armstrong havaitsi värähtelyjä audion radiovastaanotinpiireissä ja jatkoi positiivisen palautteen käyttöä keksinnessään regeneratiivisesta vastaanottimesta . Itävaltalainen Alexander Meissner löysi itsenäisesti positiivista palautetta ja keksi oskillaattoreita maaliskuussa 1913. Irving Langmuir General Electricissä havaitsi palautetta vuonna 1913. Fritz Lowenstein on saattanut edellä muita raakaoskillaattorilla vuoden 1911 lopulla. Isossa -Britanniassa HJ Round patentoi vahvistavat ja värähtelevät 1913. Elokuussa 1912 kuulon keksijä Lee De Forest oli myös havainnut vahvistimiensa värähtelyjä, mutta hän ei ymmärtänyt merkitystä ja yritti poistaa sen ennen kuin hän luki Armstrongin patentit vuonna 1914, minkä hän heti kiisti. Armstrong ja De Forest taistelivat pitkittynyttä oikeudellista taistelua oikeuksista "regeneratiiviseen" oskillaattoripiiriin, jota on kutsuttu "radion historian monimutkaisimmaksi patenttioikeudenkäynniksi". De Forest voitti korkeimmassa oikeudessa vuonna 1934 teknisistä syistä, mutta useimmat lähteet pitävät Armstrongin väitettä vahvempana.

Ranskan insinöörit Henri Abraham ja Eugene Bloch keksivät ensimmäisen ja laajimmin käytetyn rentoutusoskillaattoripiirin, epävakaan monivibraattorin , vuonna 1917. He kutsuivat ristikytkettyä kahden tyhjiöputken piiriään monivibraattoriksi , koska sen tuottama neliöaaltosignaali oli runsaasti harmonisia verrattuna muiden tyhjiöputkivärähtelyjen sinimuotoiseen signaaliin.

Tyhjiöputki-palauteoskillaattoreista tuli radiolähetyksen perusta vuoteen 1920 mennessä. Triode- tyhjiöputkioskillaattori toimi kuitenkin heikosti yli 300 MHz elektrodien välisen kapasitanssin vuoksi. Korkeampien taajuuksien saavuttamiseksi kehitettiin uusia "kauttakulkuajan" (nopeusmodulaation) tyhjiöputkia, joissa elektronit kulkivat "nippuina" putken läpi. Ensimmäinen näistä oli Barkhausen – Kurz -oskillaattori (1920), ensimmäinen putki, joka tuotti tehoa UHF -alueella. Tärkeimmät ja laajalti käytetyt olivat klystron (R. ja S. Varian, 1937) ja ontelomagnetroni (J. Randall ja H. Boot, 1940).

Matemaattinen edellytykset palaute värähtelyjen, kutsutaan nyt Barkhausen kriteeri , johdettiin Heinrich Georg Barkhausen 1921. Ensimmäinen analyysi epälineaarisen elektronisen oskillaattorin malli, Van der Pol oskillaattori , tehtiin Balthasar van der Pol vuonna 1927. Hän osoitti, että värähtelyjen ( rajajaksojen ) vakaus todellisissa oskillaattoreissa johtui vahvistinlaitteen epälineaarisuudesta . Hän aloitti termin "rentoutumisvärähtely" ja erotti ensin lineaariset ja rentoutusoskillaattorit. Hendrik Wade Bode ja Harry Nyquist edistivät edelleen värähtelyjen matemaattista analyysiä 1930 -luvulla. Vuonna 1969 K. Kurokawa sai tarvittavat ja riittävät olosuhteet värähtelyille negatiivisvastuksen piireissä, jotka muodostavat modernin mikroaalto-oskillaattorisuunnittelun perustan.

Katso myös

Viitteet

  • Morse, AH (1925), Radio: Beam and Broadcast: Itsensä tarina ja patentit , Lontoo: Ernest Benn. Radion historia vuonna 1925. Oskillaattori väittää 1912; De Forestin ja Armstrongin oikeusjuttu vrt. 45. AS Hibbardin puhelinhummeri/oskillaattori vuonna 1890 (hiilimikrofonilla on tehonlisäys); Larsen "käytti samaa periaatetta vaihtovirran tuotannossa tasavirtalähteestä"; tyhjiöputken oskillaattorin vahingossa kehittyminen; kaikki s. 86. Von Arco ja Meissner tunnistivat ensin sovelluksen lähettimelle; Pyöreä ensimmäiselle lähettimelle; kukaan ei patentoinut triodilähetintä s. 87.

Lue lisää

Ulkoiset linkit