Oscilator electronic - Electronic oscillator

Un oscilator electronic este un circuit electronic care produce un semnal electronic periodic, oscilant , adesea o undă sinusoidală sau o undă pătrată sau o undă triunghiulară . Oscilatoarele convertesc curentul continuu (DC) dintr-o sursă de alimentare într-un semnal de curent alternativ (AC). Ele sunt utilizate pe scară largă în multe dispozitive electronice , de la simple generatoare de ceas la instrumentele digitale (cum ar fi calculatoare) și calculatoare și periferice , etc complexe Exemple comune de semnale generate de oscilatoare includ semnalele transmise de radio , și emițătoare de televiziune , semnale de ceas care reglementează calculatoare și cuarț ceasuri și sunetele produse de sunetele electronice și jocurile video .

Oscilatoarele sunt adesea caracterizate prin frecvența semnalului de ieșire:

  • Un oscilator de joasă frecvență (LFO) este un oscilator electronic care generează o frecvență sub aproximativ 20 Hz. Acest termen este de obicei folosit în domeniul sintetizatoarelor audio , pentru a-l distinge de un oscilator de frecvență audio.
  • Un oscilator audio produce frecvențe în domeniul audio , între 16 Hz și 20 kHz.
  • Un oscilator RF produce semnale în intervalul de frecvență radio (RF) de la aproximativ 100 kHz la 100 GHz.

În sursele de alimentare cu curent alternativ, un oscilator care produce curent alternativ dintr-o sursă de curent continuu se numește de obicei invertor . Înainte de apariția pe bază de diode redresoare , un dispozitiv electromecanic care transformă în mod similar putere AC DC a fost numit un convertor, deși termenul este folosit mai frecvent pentru a se referi la DC-DC convertoare dolar .

Există două tipuri principale de oscilator electronic - oscilatorul liniar sau armonic și oscilatorul neliniar sau de relaxare .

Oscilatoarele de cristal sunt omniprezente în electronica modernă și produc frecvențe de la 32 kHz la peste 150 MHz, cu cristale de 32 kHz obișnuite în menținerea timpului și frecvențe mai înalte obișnuite în generația de ceas și aplicații RF.

Circuit oscilator electronic de 1 MHz care utilizează proprietățile rezonante ale unui cristal de cuarț intern pentru a controla frecvența. Oferă semnalul de ceas pentru dispozitivele digitale, cum ar fi computerele.

Oscilatoare armonice

Schema bloc a unui oscilator liniar de feedback; un amplificator A cu ieșirea sa v o readus în intrarea sa v f printr-un filtru , β (jω) .

Oscilatorul armonic sau liniar produce o ieșire sinusoidală . Există două tipuri:

Oscilator de feedback

Cea mai comună formă de oscilator liniar este un amplificator electronic, cum ar fi un tranzistor sau un amplificator operațional conectat într-o buclă de feedback cu ieșirea alimentată înapoi în intrarea sa printr-un filtru electronic selectiv de frecvență pentru a oferi feedback pozitiv . Când sursa de alimentare a amplificatorului este pornită inițial, zgomotul electronic din circuit oferă un semnal diferit de zero pentru a începe oscilațiile. Zgomotul se deplasează în jurul buclei și este amplificat și filtrat până când converge foarte repede pe o undă sinusoidală la o singură frecvență.

Circuitele oscilatoare de feedback pot fi clasificate în funcție de tipul de filtru selectiv de frecvență pe care îl utilizează în bucla de feedback:

  • Într-un circuit de oscilator LC , filtrul este un circuit reglat (denumit adesea circuit rezervor ; circuitul reglat este un rezonator ) format dintr-un inductor (L) și un condensator (C) conectați împreună. Încărcarea curge înainte și înapoi între plăcile condensatorului prin inductor, astfel încât circuitul reglat poate stoca energia electrică oscilând la frecvența sa rezonantă . Există mici pierderi în circuitul rezervorului, dar amplificatorul compensează aceste pierderi și furnizează puterea semnalului de ieșire. Oscilatoarele LC sunt adesea utilizate la frecvențe radio , atunci când este necesară o sursă de frecvență reglabilă, cum ar fi generatoarele de semnal , emițătoarele radio reglabile și oscilatoarele locale din receptoarele radio . Circuitele oscilatoare LC tipice sunt circuitele Hartley , Colpitts și Clapp .
Două circuite oscilatoare LC comune, oscilatoarele Hartley și Colpitts
  • Într-un circuit oscilator de cristal , filtrul este un cristal piezoelectric (de obicei un cristal de cuarț ). Cristalul vibrează mecanic ca un rezonator , iar frecvența sa de vibrație determină frecvența de oscilație. Cristalele au un factor Q foarte ridicat și, de asemenea, o stabilitate a temperaturii mai bună decât circuitele reglate, astfel încât oscilatoarele de cristal au o stabilitate de frecvență mult mai bună decât oscilatoarele LC sau RC. Oscilatoarele de cristal sunt cel mai comun tip de oscilator liniar, utilizat pentru stabilizarea frecvenței majorității emițătoarelor radio și pentru a genera semnalul de ceas în computere și ceasuri cu cuarț . Oscilatoarele de cristal folosesc adesea aceleași circuite ca oscilatoarele LC, cristalul înlocuind circuitul acordat ; oscilator Pierce circuit este , de asemenea , utilizat în mod obișnuit. Cristalele de cuarț sunt, în general, limitate la frecvențe de 30 MHz sau mai mici. Alte tipuri de rezonatoare, rezonatoare dielectrice și dispozitive cu undă acustică de suprafață (SAW), sunt utilizate pentru a controla oscilatoarele cu frecvență mai mare, până în gama de microunde . De exemplu, oscilatoarele SAW sunt folosite pentru a genera semnalul radio în telefoanele mobile .

Oscilator cu rezistență negativă

(stânga) Diagrama bloc tipică a unui oscilator cu rezistență negativă. În unele tipuri, dispozitivul de rezistență negativă este conectat în paralel cu circuitul rezonant. (dreapta) Un oscilator cu microunde cu rezistență negativă format dintr-o diodă Gunn într-un rezonator de cavitate . Rezistența negativă a diodei excită oscilațiile cu microunde din cavitate, care radiază deschiderea într-un ghid de undă .

În plus față de oscilatoarele de feedback descrise mai sus, care utilizează elemente active de amplificare cu două porturi , cum ar fi tranzistoarele și amplificatoarele operaționale, oscilatoarele liniare pot fi construite folosind dispozitive cu un singur port (două terminale) cu rezistență negativă , cum ar fi tuburile magnetronice , diodele tunelului , Diode IMPATT și diode Gunn . Oscilatoarele cu rezistență negativă sunt de obicei utilizate la frecvențe înalte în intervalul de microunde și mai sus, deoarece la aceste frecvențe oscilatoarele de feedback au performanțe slabe din cauza schimbării de fază excesive în calea de feedback.

În oscilatoarele cu rezistență negativă, un circuit rezonant, cum ar fi un circuit LC , un cristal sau un rezonator de cavitate , este conectat pe un dispozitiv cu rezistență diferențială negativă și se aplică o tensiune de polarizare continuă pentru a furniza energie. Un circuit rezonant în sine este „aproape” un oscilator; poate stoca energie sub formă de oscilații electronice dacă este excitat, dar, deoarece are rezistență electrică și alte pierderi, oscilațiile sunt amortizate și se descompun la zero. Rezistența negativă a dispozitivului activ anulează rezistența de pierdere internă (pozitivă) în rezonator, creând efectiv un rezonator fără amortizare, care generează oscilații continue spontane la frecvența sa de rezonanță .

Modelul oscilatorului cu rezistență negativă nu este limitat la dispozitivele cu un singur port, cum ar fi diodele; circuitele oscilatoare de feedback cu dispozitive de amplificare cu două porturi , cum ar fi tranzistoare și tuburi , au, de asemenea, rezistență negativă. La frecvențe înalte, trei dispozitive terminale, cum ar fi tranzistoarele și FET-urile, sunt de asemenea utilizate în oscilatoarele cu rezistență negativă. La frecvențe înalte aceste dispozitive nu au nevoie de o buclă de feedback, dar cu anumite sarcini aplicate unui port pot deveni instabile la celălalt port și pot prezenta rezistență negativă datorită feedbackului intern. Portul de rezistență negativă este conectat la un circuit reglat sau la o cavitate rezonantă, determinându-i să oscileze. Oscilatoarele de înaltă frecvență, în general, sunt proiectate folosind tehnici de rezistență negativă.

Unele dintre numeroasele circuite oscilatoare armonice sunt enumerate mai jos:

Dispozitive active utilizate în oscilatoare și frecvențe maxime aproximative
Dispozitiv Frecvență
Tub de vid triod ~ 1 GHz
Tranzistor bipolar (BJT) ~ 20 GHz
Tranzistor bipolar cu heterojuncție (HBT) ~ 50 GHz
Tranzistor cu efect de câmp metal-semiconductor (MESFET) ~ 100 GHz
Diodă Gunn , mod fundamental ~ 100 GHz
Tub magnetron ~ 100 GHz
Tranzistor cu mobilitate ridicată a electronilor (HEMT) ~ 200 GHz
Tubul Klystron ~ 200 GHz
Diodă Gunn , modul armonic ~ 200 GHz
Diodă IMPATT ~ 300 GHz
Tub de girotron ~ 600 GHz

Oscilator de relaxare

Un oscilator neliniar sau de relaxare produce o ieșire non-sinusoidală, cum ar fi un val pătrat , din dinte de ferăstrău sau triunghiular . Se compune dintr-un element de stocare a energiei (un condensator sau, mai rar, un inductor ) și un dispozitiv de comutare neliniar (un zăvor , declanșator Schmitt sau element cu rezistență negativă) conectat într-o buclă de feedback . Dispozitivul de comutare încarcă și descarcă periodic energia stocată în elementul de stocare, provocând astfel modificări bruște ale formei de undă de ieșire.

Oscilatoarele de relaxare cu unde pătrate sunt utilizate pentru a furniza semnalul de ceas pentru circuite logice secvențiale , cum ar fi cronometre și contoare , deși oscilatoarele de cristal sunt adesea preferate pentru o stabilitate mai mare. Oscilatoarele cu unghi triunghiular sau din dinți de ferăstrău sunt utilizate în circuitele bazei de timp care generează semnale de deviere orizontală pentru tuburile cu raze catodice în osciloscoapele și televizoarele analogice . Acestea sunt, de asemenea, utilizate în oscilatoare controlate de tensiune (VCO), invertoare și surse de alimentare de comutare , convertoare analogice în digitale cu două pante (ADC) și în generatoare de funcții pentru a genera unde pătrate și triunghiulare pentru echipamentele de testare. În general, oscilatoarele de relaxare sunt utilizate la frecvențe mai mici și au o stabilitate a frecvenței mai slabă decât oscilatoarele liniare.

Oscilatoarele inelare sunt construite dintr-un inel de trepte de întârziere active. În general, inelul are un număr impar de trepte de inversare, astfel încât să nu existe o singură stare stabilă pentru tensiunile inelului intern. În schimb, o singură tranziție se propagă la nesfârșit în jurul inelului.

Unele dintre cele mai frecvente circuite de oscilator de relaxare sunt enumerate mai jos:

Oscilator controlat de tensiune (VCO)

Un oscilator poate fi proiectat astfel încât frecvența de oscilație să poată fi variată pe o anumită gamă de o tensiune sau curent de intrare. Aceste oscilatoare controlate de tensiune sunt utilizate pe scară largă în buclele blocate în fază , în care frecvența oscilatorului poate fi blocată la frecvența unui alt oscilator. Acestea sunt omniprezente în circuitele de comunicații moderne, utilizate în filtre , modulatoare , demodulatoare și formând baza circuitelor de sintetizator de frecvență care sunt utilizate pentru a regla radiourile și televizoarele.

VCO-urile cu frecvență radio se fac de obicei prin adăugarea unei diode varactor la circuitul acordat sau la rezonatorul într-un circuit oscilator. Schimbarea tensiunii de curent continuu pe varactor își schimbă capacitatea , care schimbă frecvența de rezonanță a circuitului reglat. Oscilatoarele de relaxare controlate de tensiune pot fi construite prin încărcarea și descărcarea condensatorului de stocare a energiei cu o sursă de curent controlată de tensiune . Creșterea tensiunii de intrare crește rata de încărcare a condensatorului, scăzând timpul dintre evenimente de comutare.

Istorie

Primele oscilatoare practice s-au bazat pe arcuri electrice , care au fost folosite pentru iluminat în secolul al XIX-lea. Curentul printr-o lumină de arc este instabil datorită rezistenței sale negative și adesea se rupe în oscilații spontane, determinând arcul să emită sunete, zumzeturi sau urlete care fuseseră observate de Humphry Davy în 1821, Benjamin Silliman în 1822, Auguste Arthur de la Rive în 1846 și David Edward Hughes în 1878. Ernst Lecher în 1888 a arătat că curentul printr-un arc electric ar putea fi oscilator. Un oscilator a fost construit de Elihu Thomson în 1892 prin plasarea unui circuit LC acordat în paralel cu un arc electric și a inclus o explozie magnetică. Independent, în același an, George Francis FitzGerald și-a dat seama că, dacă rezistența la amortizare într-un circuit rezonant ar putea fi făcută zero sau negativă, circuitul ar produce oscilații și, fără succes, a încercat să construiască un oscilator de rezistență negativă cu o dinamă, ce ar fi acum să fie numit oscilator parametric . Oscilatorul arcului a fost redescoperit și popularizat de William Duddell în 1900. Duddell, student la London Technical College, investiga efectul arsului șuierător. El a atașat un circuit LC ( circuit acordat) la electrozii unei lămpi cu arc și rezistența negativă a oscilației excitate de arc în circuitul acordat. O parte din energie a fost radiată sub formă de unde sonore de către arc, producând un ton muzical. Duddell și-a demonstrat oscilatorul în fața Institutului de Ingineri Electrici din Londra conectând secvențial diferite circuite acordate de-a lungul arcului pentru a cânta imnul național „ God Save the Queen ”. „Arcul de cântare” al lui Duddell nu a generat frecvențe peste gama audio. În 1902, fizicienii danezi Valdemar Poulsen și PO Pederson au reușit să mărească frecvența produsă în gama radio prin acționarea arcului într-o atmosferă de hidrogen cu câmp magnetic, inventând emițătorul radio cu arc Poulsen , primul emițător radio cu unde continue, care a fost utilizat prin anii 1920.

Un oscilator de 120 MHz din 1938 folosind un rezonator de linie de transmisie paralelă ( linia Lecher ). Liniile de transmisie sunt utilizate pe scară largă pentru oscilatoarele UHF.

Oscilatorul de feedback al tubului de vid a fost inventat în jurul anului 1912, când s-a descoperit că feedback-ul („regenerare”) în tubul de vid audion recent inventat ar putea produce oscilații. Cel puțin șase cercetători au făcut această descoperire în mod independent, deși nu se poate spune că toți au un rol în invenția oscilatorului. În vara anului 1912, Edwin Armstrong a observat oscilații în circuitele receptorului radio audion și a continuat să folosească feedback pozitiv în invenția sa a receptorului regenerativ . Austriecul Alexander Meissner a descoperit în mod independent feedback pozitiv și a inventat oscilatoare în martie 1913. Irving Langmuir la General Electric a observat feedback în 1913. Fritz Lowenstein ar fi putut să-i fi precedat pe ceilalți cu un oscilator brut la sfârșitul anului 1911. În Marea Britanie, HJ Round a patentat circuite de amplificare și oscilare în 1913. În august 1912, Lee De Forest , inventatorul audionului, a observat și oscilații în amplificatoarele sale, dar nu a înțeles semnificația și a încercat să o elimine până când a citit brevetele lui Armstrong în 1914, pe care le-a contestat prompt. Armstrong și De Forest au dus o bătălie legală prelungită cu privire la drepturile la circuitul oscilator „regenerativ”, care a fost numit „cel mai complicat litigiu de brevet din istoria radioului”. De Forest a câștigat în cele din urmă în fața Curții Supreme în 1934 din motive tehnice, dar majoritatea surselor consideră afirmația lui Armstrong ca fiind cea mai puternică.

Primul și cel mai utilizat circuit de oscilator de relaxare, multivibratorul , a fost inventat în 1917 de inginerii francezi Henri Abraham și Eugene Bloch. Ei au numit circuitul lor cu dublă vidă cuplat încrucișat multivibrator , deoarece semnalul cu undă pătrată pe care l-a produs era bogat în armonici , comparativ cu semnalul sinusoidal al altor oscilatoare cu tub vid.

Vacuum-tube oscilatoare feedback - ul a devenit baza transmisiei radio prin 1920. Cu toate acestea, triodă tub oscilator cu vid slab peste 300 efectuat MHz din cauza capacității electrice interelectrodic. Pentru a atinge frecvențe mai mari, au fost dezvoltate noi tuburi de vid „timp de tranzit” (modulare a vitezei), în care electronii au călătorit în „ciorchini” prin tub. Primul dintre acestea a fost oscilatorul Barkhausen – Kurz (1920), primul tub care produce energie în gama UHF . Cele mai importante și utilizate pe scară largă au fost klystronul (R. și S. Varian, 1937) și magnetronul cavității (J. Randall și H. Boot, 1940).

Condițiile matematice pentru oscilațiile de feedback, denumite acum criteriul Barkhausen , au fost derivate de Heinrich Georg Barkhausen în 1921. Prima analiză a unui model de oscilator electronic neliniar, oscilatorul Van der Pol , a fost făcută de Balthasar van der Pol în 1927. El a arătat că stabilitatea oscilațiilor ( cicluri limită ) în oscilatoarele reale s-a datorat neliniarității dispozitivului de amplificare. El a originat termenul de "oscilație de relaxare" și a fost primul care a făcut distincția între oscilatoarele liniare și de relaxare. Alte progrese în analiza matematică a oscilației au fost făcute de Hendrik Wade Bode și Harry Nyquist în anii 1930. În 1969, K. Kurokawa a obținut condițiile necesare și suficiente pentru oscilația în circuitele cu rezistență negativă, care formează baza proiectării moderne a oscilatorului cu microunde.

Vezi si

Referințe

  • Morse, AH (1925), Radio: Beam and Broadcast: Its story and brevets , Londra: Ernest Benn. Istoria radioului în 1925. Oscilatorul revendică 1912; De Forest și dosarul instanței Armstrong cf p. 45. Hummer / oscilator telefonic de către AS Hibbard în 1890 (microfonul din carbon are câștig de putere); Larsen „a folosit același principiu în producerea curentului alternativ dintr-o sursă de curent continuu”; dezvoltarea accidentală a oscilatorului cu tub vid; toate la p. 86. Von Arco și Meissner recunosc mai întâi aplicația la emițător; Runda pentru primul transmițător; nimeni nu a brevetat transmițătorul triodic la p. 87.

Lecturi suplimentare

linkuri externe