Elektronik osilatör - Electronic oscillator

Popüler bir op-amp gevşeme osilatörü .

Bir elektronik osilatör , periyodik, salınımlı bir elektronik sinyal, genellikle bir sinüs dalgası veya bir kare dalga veya bir üçgen dalga üreten bir elektronik devredir . Osilatörler dönüştürmek doğru akım , bir bir güç kaynağından (DC) alternatif akım (AC) sinyalinin. 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 .

AC güç kaynaklarında, bir DC kaynağından AC gücü üreten bir osilatöre genellikle invertör denir . Diyot tabanlı doğrultucuların ortaya çıkmasından önce, AC gücünü DC'ye benzer şekilde dönüştüren bir elektromekanik cihaza dönüştürücü denirdi, ancak bu terim artık DC-DC dönüştürücülere atıfta bulunmak için daha yaygın olarak kullanılıyor .

İki ana elektronik osilatör türü vardır - doğrusal veya harmonik osilatör ve doğrusal olmayan veya gevşemeli osilatör .

Kristal osilatörler , modern elektronikte her yerde bulunur ve 32 kHz'den 150 MHz'e kadar frekanslar üretir, zaman tutmada yaygın olan 32 kHz kristaller ve saat üretimi ve RF uygulamalarında yaygın olan daha yüksek frekanslar.

Frekansı kontrol etmek için dahili bir kuvars kristalinin rezonans özelliklerini kullanan 1 MHz elektronik osilatör devresi. Bilgisayarlar gibi dijital cihazlar için saat sinyali sağlar .

harmonik osilatörler

Geri beslemeli lineer osilatörün blok diyagramı; çıkışı v o olan bir amplifikatör A , bir β(jω) filtresi aracılığıyla giriş v f'ye geri beslenir .

Harmonik veya lineer osilatör, sinüzoidal bir çıktı üretir . İki tip var:

Geri besleme osilatörü

Lineer osilatörün en yaygın biçimi, pozitif geri besleme sağlamak için çıkışı frekans seçici bir elektronik filtre aracılığıyla girişine geri beslenen bir geri besleme döngüsüne bağlı bir transistör veya işlemsel yükseltici gibi bir elektronik yükselticidir . Amplifikatörün güç kaynağı ilk açıldığında , devredeki elektronik gürültü , salınımları başlatmak için sıfır olmayan bir sinyal sağlar. Gürültü döngü etrafında dolaşır ve çok hızlı bir şekilde tek bir frekansta bir sinüs dalgasında yakınsayana kadar yükseltilir ve filtrelenir .

Geri besleme osilatör devreleri, geri besleme döngüsünde kullandıkları frekans seçici filtre tipine göre sınıflandırılabilir:

İki yaygın LC osilatör devresi, Hartley ve Colpitts osilatörleri
  • Bir kristal osilatör devresinde filtre, bir piezoelektrik kristaldir (genellikle bir kuvars kristali ). Kristal mekanik olarak bir rezonatör olarak titreşir ve titreşim frekansı salınım frekansını belirler. Kristaller çok yüksek Q faktörüne ve ayarlı devrelere göre daha iyi sıcaklık kararlılığına sahiptir, bu nedenle kristal osilatörler LC veya RC osilatörlerden çok daha iyi frekans kararlılığına sahiptir. Kristal osilatörler, çoğu radyo vericisinin frekansını stabilize etmek ve bilgisayarlarda ve kuvars saatlerde saat sinyali oluşturmak için kullanılan en yaygın lineer osilatör türüdür . Kristal osilatörler genellikle LC osilatörleri ile aynı devreleri kullanırlar ve ayarlanmış devrenin yerini kristal alır ; Pierce osilatör devresi, aynı zamanda yaygın olarak kullanılır. Kuvars kristalleri genellikle 30 MHz veya altındaki frekanslarla sınırlıdır. Diğer rezonatör türleri, dielektrik rezonatörler ve yüzey akustik dalga (SAW) cihazları, mikrodalga aralığına kadar daha yüksek frekanslı osilatörleri kontrol etmek için kullanılır . Örneğin, cep telefonlarında radyo sinyali üretmek için SAW osilatörleri kullanılır .

Negatif dirençli osilatör

(solda) Negatif direnç osilatörünün tipik blok şeması. Bazı tiplerde negatif direnç cihazı rezonans devresine paralel olarak bağlanır. (sağ) bir oluşan bir negatif direnç mikrodalga osilatör Gunn diyot bir de boşluk rezonatör . Diyotun negatif direnci, açıklığı bir dalga kılavuzuna yayan boşluktaki mikrodalga salınımlarını uyarır .

Transistörler ve işlemsel yükselteçler gibi iki bağlantı noktalı yükseltici aktif elemanları kullanan yukarıda açıklanan geri besleme osilatörlerine ek olarak, lineer osilatörler, magnetron tüpleri, tünel diyotları gibi negatif dirençli tek bağlantı noktalı (iki terminalli) cihazlar kullanılarak da oluşturulabilir. , IMPATT diyotları ve Gunn diyotları . Negatif dirençli osilatörler genellikle mikrodalga aralığı ve üzerindeki 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. Bir rezonans devresi kendi başına "neredeyse" bir osilatördür; uyarılırsa elektronik salınımlar şeklinde enerji depolayabilir, ancak elektrik direncine ve diğer kayıplara sahip olduğu için salınımlar sönümlenir ve sıfıra düşer. Aktif cihazın negatif direnci, rezonatördeki (pozitif) dahili kayıp direncini iptal eder, aslında sönümsüz bir rezonatör yaratır, bu da rezonans frekansında kendiliğinden sürekli salınımlar üretir .

Negatif dirençli osilatör modeli, diyotlar gibi tek portlu cihazlarla sınırlı değildir; transistörler ve tüpler gibi iki portlu yükseltici cihazlara sahip geri besleme osilatör devreleri de negatif dirence sahiptir. Yüksek frekanslarda, negatif dirençli osilatörlerde transistörler ve FET'ler gibi üç terminal cihazı da kullanılır. Yüksek frekanslarda bu cihazlar 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 gösterebilir. Negatif direnç portu, ayarlanmış bir devreye veya rezonans boşluğuna bağlanır ve bu da onların salınım yapmasına neden olur. Genel olarak yüksek frekanslı osilatörler, negatif direnç teknikleri kullanılarak tasarlanmıştır.

Birçok harmonik osilatör devresinden bazıları aşağıda listelenmiştir:

Osilatörlerde kullanılan aktif cihazlar ve yaklaşık maksimum frekanslar
Cihaz Sıklık
triyot 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
manyetron tüpü ~100 GHz
Yüksek elektron hareketlilik transistörü (HEMT) ~200 GHz
Klistron tüpü ~200 GHz
Gunn diyot , harmonik mod ~200 GHz
IMPATT diyot ~300 GHz
gyrotron tüpü ~600 GHz

Gevşeme osilatörü

Ana madde: Gevşeme osilatörü

Doğrusal olmayan veya gevşemeli bir osilatör , kare , testere dişi veya üçgen dalga gibi sinüzoidal olmayan bir çıktı üretir . Bir geri besleme döngüsüne bağlı bir enerji depolama elemanı (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 çıkış dalga biçiminde ani değişikliklere neden olur.

Kare dalga gevşemeli osilatörler, zamanlayıcılar ve sayaçlar gibi sıralı mantık devreleri için saat sinyali sağlamak için kullanılır , ancak kristal osilatörler genellikle daha yüksek kararlılıkları için tercih edilir. Analog osiloskoplarda ve televizyonlarda katot ışın tüpleri için yatay sapma sinyalleri üreten zaman tabanı devrelerinde üçgen dalga veya testere dişi osilatörler kullanılır . Ayrıca voltaj kontrollü osilatörlerde (VCO'lar), invertörlerde ve anahtarlamalı güç kaynaklarında , çift ​​eğimli analogdan dijitale dönüştürücülerde (ADC'ler) ve test ekipmanı için kare ve üçgen dalgalar üretmek için fonksiyon jeneratörlerinde kullanılırlar . Genel olarak, gevşeme osilatörleri daha düşük frekanslarda kullanılır ve lineer osilatörlerden daha zayıf frekans kararlılığına sahiptir.

Halka osilatörleri , aktif gecikme aşamalarından oluşan bir halkadan yapılmıştır. Genel olarak, halkanın tek sayıda evirme aşaması vardır, bu nedenle dahili halka voltajları için tek bir kararlı durum yoktur. Bunun yerine, halka etrafında sonsuz bir şekilde tek bir geçiş yayılır.

Daha yaygın gevşeme osilatör devrelerinden bazıları aşağıda listelenmiştir:

Voltaj kontrollü osilatör (VCO)

Ana madde: Voltaj kontrollü osilatör

Bir osilatör, salınım frekansının bir giriş voltajı veya akımı ile belirli bir aralıkta değiştirilebileceği şekilde tasarlanabilir. Bu voltaj kontrollü osilatörler , osilatörün frekansının başka bir osilatörün frekansına kilitlenebildiği faz kilitli döngülerde yaygın olarak kullanılır . Bunlar modern iletişim devrelerinde her yerde bulunur, filtrelerde , modülatörlerde , demodülatörlerde kullanılır ve radyo ve televizyonları ayarlamak için kullanılan frekans sentezleyici devrelerinin temelini oluşturur .

Radyo frekansı VCO'ları genellikle ayarlanmış devreye bir varaktör diyotu veya bir osilatör devresindeki rezonatöre eklenerek yapılır . Varaktör boyunca DC voltajının değiştirilmesi, kapasitansını değiştirir , bu da ayarlı devrenin rezonans frekansını değiştirir . Voltaj kontrollü gevşeme osilatörleri, enerji depolama kondansatörünün voltaj kontrollü bir akım kaynağı ile şarj edilip boşaltılmasıyla oluşturulabilir . Giriş voltajının arttırılması, kapasitörün şarj olma oranını arttırır ve anahtarlama olayları arasındaki süreyi azaltır.

Tarih

İlk pratik osilatörler , 19. yüzyılda aydınlatma için kullanılan elektrik arklarına dayanıyordu . Bir ark ışığından geçen akım , negatif direnci nedeniyle kararsızdır ve genellikle kendiliğinden salınımlara yol açarak arkın tıslama, uğultu veya uluma sesleri çıkarmasına neden olur; bunlar 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 , bir elektrik arkından geçen akımın salınımlı olabileceğini gösterdi. 1892'de Elihu Thomson tarafından bir LC ayarlı devreyi bir elektrik arkına paralel olarak yerleştirerek bir osilatör inşa edildi ve bir manyetik patlama içeriyordu. Bağımsız olarak, aynı yıl, George Francis FitzGerald , bir rezonans devresindeki sönümleme direnci sıfır veya negatif yapılabilirse, devrenin salınımlar üreteceğini fark etti ve başarısız bir şekilde, bir dinamo ile negatif dirençli bir osilatör kurmaya çalıştı, ne olurdu? şimdi bir parametrik osilatör olarak adlandırılabilir . Ark osilatörü, 1900 yılında William Duddell tarafından yeniden keşfedildi ve popüler hale getirildi . Londra Teknik Koleji'nde bir öğrenci olan Duddell, tıslama ark etkisini araştırıyordu. Bir ark lambasının elektrotlarına bir LC devresi (ayarlı devre) ve ayarlı devrede ark uyarılmış salınımın negatif direnci bağladı . Enerjinin bir kısmı ark tarafından ses dalgaları olarak yayarak müzikal bir ton üretti. Duddell, osilatörünü, " Tanrı Kraliçeyi Korusun" milli marşını çalmak için ark boyunca farklı ayarlanmış devreleri sırayla bağlayarak Londra Elektrik Mühendisleri Enstitüsü'nün önünde gösterdi . Duddell'in "şarkı söyleyen arkı", ses aralığının üzerinde frekanslar üretmedi. 1902'de Danimarkalı fizikçiler Valdemar Poulsen ve PO Pederson, arkı bir manyetik alanla bir hidrojen atmosferinde çalıştırarak üretilen frekansı radyo aralığına yükseltmeyi başardılar ve kullanılan ilk sürekli dalga radyo vericisi olan Poulsen ark radyo vericisini icat ettiler. 1920'ler boyunca.

1938'den bir paralel çubuk iletim hattı rezonatörü ( Lecher hattı ) kullanan 120 MHz'lik bir osilatör . İletim hatları, UHF osilatörleri için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Vakum tüplü geri besleme osilatörü, yakın zamanda icat edilen audion vakum tüpündeki geri beslemenin ("rejenerasyon") salınımlar üretebileceği keşfedildiğinde 1912 civarında icat edildi . En az altı araştırmacı bağımsız olarak bu keşfi yaptı, ancak hepsinin osilatörün icadında bir rolü olduğu söylenemez. 1912 yazında Edwin Armstrong , audion radyo alıcı devrelerindeki salınımları gözlemledi ve rejeneratif alıcı icadıyla pozitif geri beslemeyi kullanmaya devam etti . Avusturyalı Alexander Meissner bağımsız olarak pozitif geri beslemeyi keşfetti ve Mart 1913'te osilatörleri icat etti . General Electric'ten Irving Langmuir , 1913'te geri bildirimi gözlemledi. Fritz Lowenstein, 1911'in sonlarında kaba bir osilatörle diğerlerinden önce gelmiş olabilir. 1913. Ağustos 1912'de, audionun mucidi Lee De Forest , amplifikatörlerinde salınımlar gözlemlemişti, ancak önemini anlamadı ve Armstrong'un 1914'te derhal itiraz ettiği patentlerini okuyana kadar bunu ortadan kaldırmaya çalıştı. Armstrong ve De Forest, "radyo tarihindeki en karmaşık patent davası" olarak adlandırılan "rejeneratif" osilatör devresinin hakları üzerinde uzun süreli bir yasal savaş verdiler. De Forest, 1934'te Yüksek Mahkeme'yi teknik gerekçelerle kazandı, ancak çoğu kaynak Armstrong'un iddiasını daha güçlü olarak görüyor.

İlk ve en yaygın kullanılan gevşeme osilatör devresi, kararsız multivibratör , 1917'de Fransız mühendisler Henri Abraham ve Eugene Bloch tarafından icat edildi. Çapraz kuplajlı, çift vakum tüplü devrelerine multivibratör adını verdiler , çünkü ürettiği kare dalga sinyali, diğer vakum tüplü osilatörlerin sinüzoidal sinyaline kıyasla harmonikler açısından zengindi .

Vakum tüplü geri besleme osilatörleri 1920'de radyo iletiminin temeli haline geldi. Bununla birlikte, triyot vakum tüplü osilatör, elektrotlar arası kapasitans nedeniyle 300 MHz'nin üzerinde kötü performans gösterdi. Daha yüksek frekanslara ulaşmak için, elektronların tüp içinde "demetler" halinde hareket ettiği yeni "geçiş süresi" (hız modülasyonu) vakum tüpleri geliştirildi. Bunlardan ilki , UHF aralığında güç üreten ilk tüp olan Barkhausen-Kurz osilatörü (1920) idi . En önemlileri ve yaygın olarak kullanılanları, klistron (R. ve S. Varian, 1937) ve boşluklu magnetrondur (J. Randall ve H. Boot, 1940).

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 ( limit döngüler ) kararlılığı , yükseltici cihazın doğrusal olmamasından kaynaklanıyordu . "Gevşeme salınımı" terimini ortaya çıkardı ve ilk olarak lineer ve gevşeme osilatörlerini ayırt etti. Salınım matematiksel analizinde daha ileri gelişmeler 1930'larda Hendrik Wade Bode ve Harry Nyquist tarafından yapılmıştır . 1969'da K. Kurokawa, modern mikrodalga osilatör tasarımının temelini oluşturan negatif dirençli devrelerde salınım için gerekli ve yeterli koşulları elde etti.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  • Morse, AH (1925), Radyo: Işın ve Yayın: Hikayesi ve patentleri , Londra: Ernest Benn. 1925'te radyonun tarihi. Osilatör iddiaları 1912; De Forest ve Armstrong davası, bkz. s. 45. 1890'da AS Hibbard tarafından yapılan telefon hummer/osilatörü (karbon mikrofonun güç kazancı vardır); Larsen "aynı prensibi bir doğru akım kaynağından alternatif akım üretiminde kullandı"; vakum tüplü osilatörün kazara gelişimi; hepsi p. 86. Vericiye uygulamayı ilk tanıyan Von Arco ve Meissner; İlk verici için yuvarlak; kimse patentli triyot verici s. 87.

daha fazla okuma

Dış bağlantılar