Принципот на работа на осцилаторите во електрониката
Осцилаторот е едно од најважните кола во електрониката бидејќи генерира периодични сигнали независно без потреба од надворешен влез на наизменична струја (AC). Речиси сите современи уреди користат осцилатори, од дигитални часовници и радио уреди до мобилни телефони и компјутери до сателитски комуникациски системи. Со други зборови, осцилаторот може да се смета за „срце“ на колото, кое обезбедува повторувачки сигнални импулси за регулирање на времето (часовникот), пренесување информации или генерирање носечки бранови. Оваа статија ги дискутира принципите на работа на осцилаторите, нивните компоненти и типовите на осцилатори што најчесто се користат.
Разбирање на осцилаторите
Едноставно кажано, осцилатор е електронско коло кое произведува периодична електрична бранова форма, како што се синусоиден, квадратен, триаголен или пилест бран. Примарна карактеристика на осцилаторот е неговата способност да генерира континуирано повторувачки сигнал на одредена фреквенција. Оваа фреквенција може да биде од многу ниска (на пример, неколку херци) до многу висока (GHz), во зависност од барањата на апликацијата.
Осцилаторите се разликуваат од конвенционалните засилувачи. Засилувачите бараат влезен сигнал за засилување, додека осцилаторите „креираат“ свој сигнал преку механизми за повратна информација и одредени услови што предизвикуваат осцилација.
Основен концепт : Позитивна повратна информација
Најфундаменталниот принцип кај осцилаторите е позитивната повратна информација. Во колото на засилувачот, дел од излезниот сигнал се зема и се враќа на влезот. Ако вратениот сигнал е во фаза со влезот, повратната информација се нарекува позитивна. Позитивната повратна информација го засилува сигналот и ако се исполнети условите, сигналот ќе прерасне во стабилна осцилација.
Во пракса, осцилаторите речиси секогаш користат засилувачки елемент (транзистор, оперативен засилувач или вакуумска цевка кај постарите технологии) плус селективна мрежа за повратна информација што ја одредува фреквенцијата.
Услови за појава на осцилација (Критериум на Баркхаузен)
За да осцилира еден осцилатор, генерално се користат критериумите на Баркхаузен, имено два главни услови:
1. Амплитудни услови (засилување на јамката):
Засилувањето на јамката треба да биде еднакво на 1 или малку поголемо од 1 при стартување. Математички:
\|Aβ\| ≥ 1
Тука A е засилувањето на засилувачот, додека β е факторот на повратна информација.
2. Фазни барања:
Вкупното фазно поместување по патеката на јамката мора да биде 0° или повеќекратно од 360°. Ова значи дека сигналот што се враќа на влезот мора да биде во фаза со влезниот сигнал.
Ако се исполнети овие два услови, мал сигнал (обично потекнува од термичкиот шум на компонентата) ќе се засилува континуирано сè додека не достигне стационарна состојба.
Работни фази на осцилатор
1. Стартување (Почнување со осцилирање)
Кога колото првпат се напојува, нема влезен сигнал. Сепак, секогаш има одреден шум во компонентите. Овој шум влегува во засилувачот и се засилува. Ако на одредена фреквенција мрежата за повратни информации ги исполнува барањата за фаза и амплитуда, таа фреквентна компонента ќе стане доминантна и ќе продолжи да расте.
2. Засилување и селекција на фреквенција
Мрежите за повратна информација се обично селективни, што значи дека дозволуваат само одредени фреквенции да ја примат точната позитивна повратна информација. Како резултат на тоа, осцилаторот ќе работи на тие фреквенции, додека другите фреквенции ќе бидат пригушени.
3. Стабилизација на амплитудата (стационарна состојба)
Ако засилувањето на јамката продолжи да биде поголемо од 1, амплитудата ќе продолжи да се зголемува сè додека колото не се засити и не доживее сериозно нарушување. За да произведе стабилен излез, осцилаторот бара механизам за ограничување на амплитудата или контрола, на пример:
– Природна нелинеарност на транзистори/оперативни засилувачи,
– Употреба на ограничувачки диоди,
– Мала жаречка светилка (на класичниот осцилатор на Виенскиот мост),
– AGC (Автоматска контрола на засилување) на одредени осцилатори.
Во стабилната точка, ефективното засилување на јамката станува точно околу 1, така што амплитудата повеќе не се зголемува или намалува.
Елементи за одредување на фреквенцијата
Фреквенцијата на осцилацијата обично се одредува со мрежа што ја одредува фреквенцијата, на пример:
1. RC (Отпорник-Кондензатор)
Погодно за ниски до средни фреквенции (аудио до стотици kHz).
2. LC (Индуктор-Кондензатор)
Вообичаено за радиофреквенции (стотици kHz до десетици MHz).
3. Кристал (кварцен кристал)
Обезбедува многу висока фреквентна стабилност, генерално за часовник на микроконтролер, компјутери и комуникации.
Колку е постабилен елементот што ја одредува фреквенцијата, толку постабилен ќе биде излезот на осцилаторот во однос на промените во температурата, напонот и нарушувањата на оптоварувањето.
Вообичаени видови на осцилатори
1. RC осцилатор
RC осцилаторите користат комбинација од отпорници и кондензатори да се произведе одредено фазно поместување.
a. RC осцилатор со фазно поместување
Користејќи повеќе RC фази со вкупно фазно поместување од 180°, се додава инвертирачки засилувач за да се обезбедат уште 180° за вкупно 360°. Погодно за генерирање синусни бранови на аудио фреквенции.
б. Осцилатор на мостот Виена
Еден од најпознатите синусни осцилатори. Користење на Виенски мост (RC комбинација) сериски и паралелен RC) како детерминанта на фреквенцијата. Предноста е мала дисторзија ако амплитудата е добро прилагодена, на пример со користење на жаргонска ламба како елемент за контрола на засилувањето.
2. LC осцилатор
LC осцилаторот генерира осцилации врз основа на резонанцата на колото на индукторот (L) и кондензаторот (C). Идеалната резонантна фреквенција е:
\[
f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}
\]
Популарни типови:
– Хартли осцилатор: користи славини на индуктивност или два индуктиви поврзани низа.
– Колпитсов осцилатор: користи кондензаторски делител (два кондензатори поврзани во серија).
– Clapp осцилатор: варијација на Colpitts со дополнителен кондензатор за стабилност.
LC осцилаторите се користат во радио предаватели, приемници, VCO (осцилатори со контрола на напон) и други RF кола .
3. Осилатор Кристал
Кристалните осцилатори ја користат механичката резонанца на многу остар (високо-Q) кварцен кристал. Затоа, нивната фреквенција е многу прецизна и стабилна. Вообичаени кристали се достапни во 32.768 kHz (тактен), 8 MHz, 16 MHz, 25 MHz и многу други вредности.
Вишок:
– Стабилност на висока фреквенција,
– Низок фазен шум во споредба со обичните RC/LC.
Недостаток:
– Фреквенцијата не е лесна за промена,
– Потребно е соодветно коло за драјвери за да не се преоптовари кристалот.
4. Осцилатор за релаксација
За разлика од синусоидалниот осцилатор, релаксациониот осцилатор произведува несинусоидни бранови (квадратни, триаголни, пилести) со постојано полнење и празнење на кондензатор. Пример:
– Астабилен мултивибратор (базиран на транзистор или IC 555),
– Шмитов осцилатор базиран на тригер.
Овој осцилатор е популарен за генератори на пулси, тајмери, PWM и дигитални кола.
Важни фактори во дизајнот на осцилатори
1. Стабилност на фреквенцијата
Под влијание на толеранциите на компонентите, температурата, стареењето и варијациите на напонот. За прецизни системи, често се избираат кристали или TCXO/OCXO.
2. Фазен шум и треперење
Многу е важно да комуникациски систем и дигитален часовник. Високиот фазен шум може да го деградира квалитетот на модулацијата, да ја зголеми BER (стапка на битни грешки) и да го наруши спектарот.
3. Бранова дисторзија
Синусоидалниот осцилатор идеално има мала дисторзија. Дисторзија се јавува ако контролата на амплитудата е лоша или засилувачот работи во нелинеарна област.
4. Ефект на оптоварување (оптоварување)
Ако излезот е директно оптоварен, резонантната мрежа може да се промени, предизвикувајќи поместување на фреквенцијата. Затоа, баферите (следбеници на емитер, бафери на оперативни засилувачи) често се користат за „изолирање“ на колото што ја одредува фреквенцијата.
Заклучок
Принципот на работа на осцилатор во електрониката се потпира на позитивна повратна информација и исполнување на критериумот на Баркхаузен: доволно засилување на јамката и вкупно фазно поместување од 0°/360°. Осцилаторот иницира осцилации од внатрешен шум, потоа мрежа што ја одредува фреквенцијата (RC, LC или кристал) избира специфична фреквенција и конечно амплитудата се стабилизира со механизам за ограничување на засилувањето. Различни видови осцилатори - RC, LC, кристални и релаксациони - се избираат врз основа на фреквенцијата, стабилноста, брановата форма и барањата на апликацијата. Разбирањето на овие принципи им помага на инженерите и студентите по електроника да дизајнираат сигурни системи на часовници, генератори на сигнали и комуникациски кола.
Ако сакате, можам да додадам пример за пресметка на фреквенција за еден од типовите осцилатори (на пр. Виенски мост или Колпитс) заедно со основната шема на колото.
