rev: 2.0.2005 OSKILLAATTORIT H. Honkanen Sinioskillaattorit RC Oskillaattorit LC Oskillaattorit Kideoskillaattorit Relaksaatio-oskillaattorit [ Pulssi ] Integraattoriin perustuvat oskillaattorit [ Kolmioaalto ] Kanttiaalto-oskillaattorit Oskillaattoritekniikan perusteita: Oskillaattorissa lähtösignaali kytketään takaisin tuloon. Oskillaattorin värähtely vaatii kahden ehdon täyttymisen: Vaihe-ehto Vahvistimen ja takaisinkytkennän muodostaman suljetun silmukan vaihekulma värähtelytaajuudella on 360 tai sen kerrannainen. Ts. se summataan samanvaiheisesti ottoon jaksonajan viiveen kuluttua. Vahvistusehto Vahvistuksen tulee olla yli ( Oltava yli, koska piirissä on aina häviöitä ),ts vahvistus on suurempi, kuin takaisinkytkennän vaimennus ( Värähtelytaajuudella ) Värähtelytaajuus määräytyy vaihe-ehdon määräämänä. Oskillaattori ei tarvitse mitään erillistä käynnistystä, sillä absoluuttisen nollapisteen yläpuolella ( lämpötiloissa ) esiintyy aina lämpökohinaa, joka on laajakaistaista ( Sisältää kaikkia taajuuskomponentteja ). Piirin vahvistuksen ollessa oskillaattoritaajuudella yli, kohina vahvistuu ja saa aikaan käynnistyksen. Linkki: Kohina Amplifier ( A ) Feedback ( β ), f -selective A β
SINIOSKILLAATTORIT RC oskillaattorit RC-oskillaattoreiden käytännöllinen taajuusalue on < MHz - Wienin-silta oskillaattori: Periaatekuva: Kytkentä: f o 2πRC Oskillointitaajuus :,jossa: R 2R2 Teoriaa wieninsiltaoskillaattorista ( viittauset ed. kuviin ): Sarjapiiri: + jωrc Z R + jωc jωc Rinnakkaispiiri: R Z 2 + jω C + jωrc R Koska takaisinkytkentä toteutetaan ei-kääntävään tuloon, lähdon ( Uout ) ja tulon ( U ) jännitteiden on oltava samanvaiheiset. Nehän ovat samanvaiheiset, kun imaginaariosa on nolla, eli: ω RC 0 ωrc Tämähän toteutuu, kun : ω 2πf f RC RC 2πRC R U Z 2 + jωrc Jännitteen vaimentuma: U Z + Z R + jωrc + OUT 2 3 + j ωrc + jωrc jωc ωrc U Vaimentuma värähtelytaajuudella ( Imaginaariosa nolla ): U OUT 3 Eli tästä saamme vahvistusvaatimuksen, joka siis on 3. Käytännössä sen tulee olla hiukan yli 3, jotta se korvaa myös muut piirin häviöt Täsmälleen oikean vahvistuksen löytäminen on hankalaa ja vaatii virittämistä.virittämisen tarve voidaan poistaa vakavoimalla lähtöjännite.
Viereisessä kuvassa on wieninsiltaoskillaattori, jonka lähtöjännite on vakavoitu vastakytkennässä olevien zenereiden avulla. - RC ketjuoskillaattori RC ketjuoskillaattorin periaatteena on RC piiriketju, joka kääntää vaihetta tarvittavat 80. f O 2πRC 6 Periaate: Kyseisen RC piirin vaimennus 80 vaihesiirrolla on 29 kertainen. Operaatiovahvistimen vahvistushan on lähes ääretön, joten saatava sinisignaali olisi hyvin säröytynyttä. Säröä voimme pienentää asettamalla vahvistimen vahvistuksen vain vähän yli 29:n. Esimerkkikytkennässämme se on 30 ( A R2 / R ) Vakautettu kytkentä:
LC oskillaattorit Taajuuden ylittäessä MHz:n käytetään LC- tai kideoskillaattoria LC oskillaattorit jaetaan kahteen perustyyppiin toimintaperiaatteensa mukaisesti: Kytkennän värähtelytaajuus saadaan resonanssipiirin kaavasta: f 2π LC Colpitts oskillaattorissa on kondensaattoreiden sarjaankytkentä, eli: C C C C 2 + C 2 C / C2 :n vaikuttaa saatavaan amplitudiin. Yleisohjeena : C C 2 3 - Esimerkkikytkentä Colpitts oskillaattorista: - Oskillaattorin vaiheenkääntöverkko ( -80 ) muodostuu täten kelasta L ja kondensaattoreista C ja C2. Toinen -80 :een vaihesiirto muodostuu CE kytketystä vahvistimesta. Näiden summana saadaan vaadittava 360 -vaihesiirto.
Kideoskillaattorit Kideoskillaattoreiden taajuusalue on laaja, pääsääntöisesti kuitenkin > 0 khz Kideoskillaattorissa vaiheenkääntöelimenä toimii kide ( kvartsikide, sähkömekaaninen komponentti ). ( Korvaa LC piirin ) Kitteen toimintaperiate: Kiteen toiminta perustuu piezosähköisen materiaalin hyödyntämiseen ja siinä oleviin mekaanisiin resonanssitaajuuksiin. Ulkoinen jännite saa aikaan kiteessä muodonmuutoksen, josta seuraa mekaaninen aalto, ja tämä aaltoliike poukkoilee, kiteessä resonanssitaajuudellaan, ajan myötä vaimeten. Kytkettäessä kiteeseen jännite, kide vääntyy ja varastoi tällöin energiaa. Jännitteen loputtua kide vapauttaa energiansa, antamalla napojensa väliin jännitteen, joka on aluksi vastakkainen, ja värähtelee resonanssitaajuudellaan. Kide toimii täten myös sähköisenä värähtelijänä. Kideoskillaattorin etuina ovat kiteen suuresta Q-arvosta juontuva tarkkuus. Lisäksi kide voidaan valmistaa hyvin tarkasti resonoimaan halutulla taajuudella, joten oskillaattoria ei tarvitse virittää ( vain poikkeustapauksissa ). Kiteen piirrosmerkki ja sähköinen vastinkytkentä allaolevassa kuvassa: Kiteen sähköiset ominaisuudet eivät ole aitoja, vaan muodostuvat seurravasti: - L muodostuu kidemateriaalin massasta - C p muodostuu kiteen elektrodien välisestä kapasitanssista - C s muodostuu materiaalin kimmoisuudesta - R muodostuu materiaalin kitkasta aiheutuvista häviöistä Kiteellä on täten kaksi resonanssitaajuutta: - Rinnakkaisresonanssitaajuus, f p, jonka määräävät L ja C p - Rinnakkaisresonanssissa kiteen impedanssi on suurimmillaan ( ) - Sarjaresonanssitaajuus, f s, jonka määräävät L ja C s - Sarjaresonanssissa kiteen impedanssi on pienimmillään ( 0 ) Kiteen rinnakkaisresonanssitaajuus on aina hieman suurempi, kuin sarjaresonanssitaajuus, ero on tuhannesosien luokkaa Kiteet ovat yleensä viritettyjä rinnakkaisresonanssitaajuudella. Tämä tarkoittaa, että kiteeseen merkitty taajuus on yleensä rinnakkaisresonanssitaajuus. Kideoskillaattoreita käytetään nykyisin lähes kaikissa sovelluksissa, joissa taajuus pysyy ja sen tulee pysyä muuttumattomana. Kideoskillaattorin etu ja haitta on se,että taajuus on tarkka ja vakaa ilman erillistä säätöä, mutta taajuuden säätö ei täten ole mahdollista. ( Taajuutta voidaan säätää hiukan kuormittamalla kidettä reaktiivisesti ) Lämpötilavakavuus: Kideoskillaattorin taajuusvakavuus on hyvä : 0,00 ppm / K ppm / K kun esimerkiksi RC ja LC oskillaattoreiden taajuusvakavuus : ppm / K 00 ppm / K
Muutamia kideoskillaattorikytkentöjä: Sarjaresonanssioskillaattori: Rinnakkaisresonanssioskillaattori: Vasemmalla kuvatun sarjaresonanssioskillattorin vahvistinaste on yhteisemitterikytketty, lähtö on kolletorilla ja takaisinkytkennän tulo kannalla. Oikealla kuvatun rinnakkkaisresonanssioskillaattorin vahvistinaste on yhteiskantakytketty, lähtö on kollektorilla ja takaisinkytkennän tulo emitterillä. Rinnankytketyn kiteen impedanssi on resonanssitaajuudella suuri, joten impedanssi on sovitetava sarjaankytketyillä kondensaattoreilla emitterille, jonka tuloimpedanssi ( yhteiskantakytkentä ) on pieni Kideoskillaattorin kiteen kuormituksen reaktiivisuutta voidaan vähentää ja lähdön aaltomuodon säröä pienentää kytkemällä kide osaksi resonanssipiiriä: -kytkennöistä oikeanpuoleinen on suosittu radiotekniikassa, sillä kytkentä voidaan virittää värähtelemään myös jollakin kiteen parittomista harmonisista ( 3 f o, 5 f o.. ). Varsinkin ensimmäinen ja toinen harmoninen ovat helposti saatavissa. Tällöin oskillaattorin kollektoripiirin LC resonanssipiiri viritetään halutulle taajuudelle.
Suurtaajuuksilla myös transistorin sisäisiä kapasitansseja voidaan käyttää resonanssipiirin osina. Seuraavassa pari esimerkkiä: - Ensimmäisen kuvan oskillaattori hyödyntää CB välin kapasitanssia. Toiminnallisesti oskillaattori vastaa hartley oskillaattoria. - Toisen kuvan oskillaattori ( nimeltään Pierceoskillaattori ) hyödyntää CE välin kapasitanssia. Toiminnallisesti se vastaa colpitts -oskillaattoria - Koska kide on sähkömekaaninen värähtelijä, muuttaa lämpötila ( Materiaalin lämpölaajeneminen ) hiukan kiteen resonanssitaajuutta. Tarkoissa sovelluksissa, joissa taajuuden on pysyttävä tarkoin haluttuna, on lämpötilan vaikutus kompensoitava. Tämä voidaan tehdä joko:. Pitämällä kide vakiolämpötilassa ( Sanotaankin, että kide on uunissa ) 2 Kompensoimalla taajuuden muutos muuttamalla kiteen kuormitusta siten, että kytkennän värähtelytaajuus pysyy vakiona. Tämä toteutetaan käytännössä kapasitanssidiodin kapasitanssia hyödyntäen. Lämpötilaa mittaavana elimenä voi olla: - NTC- tai PTC vastus, joiden ongelmana on muutoskäyrän epälineaarisuus - Lineaarinen muutoskäyrä saadaan resistiivisestä anturista, tai hyödyntäen P-Nrajapinnan lämpötilariippuvuutta. Tällöin esim. diodiin ajetaan vakiovirta ja kynnysjännitteestä voidaan määrittää lämpötila. Kytkentä on aika tarkka ja lineaarinen. Virta on vain pidettävä riittävän pienenä ( I F < 2 ma ), jotta mittausvirta ei itsessään lämmitä mittauksessa käytettävää diodia.
RELAKSAATIO- OSKILLAATTORIT Relaksaatio-oskillaattoreiden toiminta perustuu negatiivisen resistanssialueen omaavien komponettien negatiivisen resistanssialueen hyödyntämiseen. - Negatiivisen resistanssialueen omaavia komponentteja ovat mm. UJT ( UniJunction Transistor ), eli unistori ja diac ( DIode Alternating Current semiconductor ) Relaksaatio-oskillaattoreista saatava aaltomuoto on yleensä pulssimuotoista INTEGRAATTORIIN PERUSTUVAT OSKILLAATTORIT KOLMIO- ja SAHAHAMMASAALTO-OSKILLAATTORIT Integraattori: U in R C - U out + U OUT U INt RC - Oskillaattori saadaan lisäämällä integraattorin ottoon välyksellinen komparaattori ja kytkemällä komparaattorin lähtö integraattorin tuloon
KANTTIAALTO-OSKILLAATTORIT Kanttiaaltoa saadaan mistä muusta aaltomuodosta hyvänsä, riittää, kun signaali ajetaan komparaattorille. Aaltomuodon pulssisuhde riippuu komparaattorille tulevan signaalin symmetrisyydestä ja liipaisutasosta ( Komparattorin vertailutasosta ) IN + OUT _ Yksinkertainen pulssioskillaattori saadaan Schmitt-trigger- ottoisesta invertteristä ja RC piiristä: R OUT C Operaatiovahvistimesta ( tai komparaattorista ) saadaan kanttiaalto-oskillaattori välyksellisen komparaattorin ja RC piirin avulla: t2,t3 t t4 Linkki mitoitusohjeisiin
Sovellus: Oskillaattori LM339 komparaattorilla ja yksipuolisella käyttöjännitteellä: Linkki mitoitusohjeisiin SINISYNTEESI Pienitaajuiset sinimuotoiset aaltomuodot muodostetaan yleensä sinisynteesissä Sinisynteesi tarkoittaa sinimuotoisen aallon muodostamista jostakin toisesta aaltomuodosta, yleisimmin kolmioaallosta Muodostaminen tapahtuu komponenttikytkennän avulla - Synteesi voidaan tehdä pelkkien diodileikkureiden avulla, tällöin särö on aika suuri - Pienisäröisissä kytkennöissä käytetään aktiivikomponentteja Analogitekniikkaan perustuvat funktiogeneraattorit käyttävät tätä tekniikkaa OHJELMOITAVAT FUNKTIOGENERAATTORIT Aaltomuoto on talletettu muistipiiriin tai se luodaan DSP:llä ( Digital Signal Prosessor ), tämä digitaalisignaali muunnetaan D/A muuntimessa analogisignaaliksi JÄNNITESÄÄTÖISET OSKILLAATTORIT, VCO, Voltage Controlled Oscillator Pientaajuiset VCO: t Toiminta perustuu yleensä integraattoriin, jonka tulojännitettä muutetaan, tällöin lähtöjännitteen nousunopeus muuttuu - Sovellus: VCO komparaattorilla toteutettuna: Linkki mitoitusohjeisiin
Suurtaajuiset VCO: t ( Radiotaajuudet ) Toiminta perustuu yleensä LC oskillaattoriin, jonka kapasitanssia muutetaan kapasitanssidiodin avulla ( Kapasitanssidiodi voi muodostaa koko kapasitiivisen osuuden tai se voi olla osa sitä ) Kapasitanssidiodi on erikoisdiodi, siihen on valmistusvaiheessa haluttu mahdollisimman suuri kapasitanssi ( Tasasuuntaus, signaali ym.. diodeissahan kapasitanssi on haitallinen ominaisuus ) Kapasitanssiahan muodostuu aina PN rajapintaan Kapasitanssidiodin kapasitanssialue on muutamasta pikofaradista muutamaan kymmeneen pikofaradiin ( eli kapasitanssiarvot ovat aika pieniä ) Kapasitanssidiodien ohjausjännitealue on yleensä n. 0.4V:sta n. 30V:iin. ( Pieni vastasuuntainen jännite on tarpeen tyhjennysalueen luomiseksi ) Tyhjennysalueen leveys kasvaa jännitteen kasvaessa, joten kapasitanssiarvo pienenee jännitteen noustessa Kapasitanssiarvo on suurimmillaan minimiohjausjännittellä. Kapasitanssidiodia käyttävissä laitteissa on tarkka ja vakaa jännite kapasitansidiodien ohjaamiseksi. Se on suuruudeltaan 30V 36V ( Yl. 32V ) Signaali voidaan helposti erottaa syöttöjännitepiiristä kelan avulla Alla : Kapasitanssidiodin ominaiskapasitanssikäyrä ( BBY3, Philips ) LINKIT: Vaihtosähköpiiri RC piirin käyttäytyminen Kohina Komparaattori Suodattimet Takaisinkytkennän vakavuus Modulointitavat