19.B 19.B. A veszteségek kompenzálása A veszteségek pótlására, ennek megfelelıen a csillapítatlan rezgések elıállítására két eljárás lehetséges:

Átírás

1 9.B Alapáramkörök alkalmazásai Oszcillátorok Ismertesse a szinuszos rezgések elıállítására szolgáló módszereket! Értelmezze az oszcillátoroknál alkalmazott pozitív visszacsatolást! Ismertesse a berezgés fázis- és amplitúdó-feltételeit! Csoportosítsa felépítés és frekvenciatartomány alapján az oszcillátorokat! Ismertesse egy-egy tipikus kis- és nagyfrekvenciás oszcillátor mőködését! Mutassa be az oszcillátorok gyakorlati alkalmazási lehetıségeit! Hasonlítsa össze elınyei és hátrányai alapján az LC-, az RC- és a kvarcoszcillátorokat! Az oszcillátor Az oszcillátorok olyan elektronikus áramkörök, amelyek egyenáramú tápenergiát felhasználva, vezérlı jel nélkül csillapítatlan periodikus jelek elıállítására alkalmasak. A létrehozott periodikus jel lehet: nem szinuszos, szinuszos idıbeli lefolyású jel. Az oszcillátorok osztályozása A szinuszos jeleket elıállító áramköröket harmonikus, vagy szinuszos oszcillátoroknak nevezzük. A nem szinuszos jeleket elıállító áramköröket szokás relaxációs oszcillátoroknak nevezni. A csillapított rezgés Az oszcillátorok létrehozásánál szükség van egy frekvencia- meghatározó elemre, amely meghatározza a rezgés frekvenciáját. Ha egy feltöltött kondenzátor energiája egy induktív tagon keresztül kisül, akkor csillapított rezgések keletkeznek. Rezonancia frekvencia számítása A csillapított rezgések frekvenciáját a következı jól ismert összefüggés határozza meg: f = 2π L C 0. A csillapítatlan rezgés létrejötte A rezgıkör veszteséges, így energiatartalma csökken. A rezgések fenntartása úgy lehetséges, ha a veszteségeket pótoljuk. A veszteségek kompenzálása A veszteségek pótlására, ennek megfelelıen a csillapítatlan rezgések elıállítására két eljárás lehetséges: negatív ellenállású karakterisztika- szakasszal rendelkezı áramköri elem használata, pozitív visszacsatolással rendelkezı erısítı alkalmazása. A negatív dinamikus ellenállás A negatív dinamikus ellenállás hatása Egyes félvezetı áramköri elemeknél, mint például az alagútdióda vagy az egyátmenető tranzisztor, a negatív ellenállás jelenlétét a karakterisztika mutatja. Alagútdiódás oszcillátor jelleggörbéje Egyátmenető tranzisztoros oszcillátor jelleggörbéje

2 Az egyátmenető tranzisztor jelleggörbéje A negatív ellenállású szakasz felhasználható a rezgıkör veszteségeinek a kiegyenlítésére. A rezgıkör veszteségei kompenzálhatók, ha a vele párhuzamosan vagy sorosan kapcsolunk egy a veszteségi ellenállással megegyezı értékő negatív ellenállást. Az így kiegészített hálózat csillapítatlan rezgéseket képes elıállítani. A párhuzamos rezgıkör elvi felépítése negatív ellenállással A soros rezgıkör elvi felépítése negatív ellenállással A kapcsolási rajz összeállítása és az áramköri elemek szerepe Az egyátmenető tranzisztor esetében a negatív dinamikus ellenállás kis értékő áramváltozás esetén jön létre, amely a jelleggörbébıl is kiolvasható. A keletkezı rezgések amplitudójának a határolása a tranzisztor bemeneti körével sorosan kapcsolt, soros rezgıkörrel valósítható meg. Egyátmenető tranzisztoros oszcillátor Alagútdiódás oszcillátor Alagútdióda alkalmazása Az alagútdióda esetén a negatív dinamikus ellenállást U I kis értékő feszültségváltozás hozza létre. Az alagútdióda csak nagy frekvencián mőködik megfelelıen, ezért a felhasználása a magas frekvenciatartományra esik. A visszacsatolt oszcillátor A visszacsatolt oszcillátor létrehozása Ha egy erısítıt amely egy széles sávban erısít, visszacsatoló négypólussal pozitívan visszacsatolunk, akkor oszcillátort kapunk. A visszacsatolt erısítés A uv Au = β A u A hurokerısítés Ha a hurokerısítés ( ) növekszik., ahol A u az eredeti erısítı erısítése, A uv a visszacsatolt erısítı erısítése. β A u egy értékő, akkor az összefüggés értelmében a visszacsatolt erısítı erısítése végtelenre A visszacsatolt oszcillátor felépítése 2

3 A hurokerısítés értékének következménye Ez azt jelenti, hogy a visszacsatolt erısítı ilyen esetben vezérlı jel nélkül is szolgáltat kimenı jelet, mivel az Auv=. Ekkor a visszacsatolt erısítı begerjed és saját maga hozza létre a kimenı jelet. Ha a hurokerısítés értéke nem megfelelı, akkor az oszcillátor nem képes begerjedni. A fázisfeltétel és az amplitúdó feltétel A gyakorlatban a hurokerısítést nem lehet pontosan beállítani. Az oszcillátor mőködésének két feltétele van: fázisfeltétel, a visszacsatolt jel a bemenıjellel azonos fázisú legyen, vagyis a fáziseltérés 0 0, vagy legyen, amplitúdó feltétel, a hurokerısítés β Au = értékő legyen. A hurokerısítés Megfelelı hurokerısítés és fázisfeltétel esetén, a keletkezı rezgések frekvenciáját egy frekvencia- meghatározó elem határozza meg, amint azt a fenti ábrán is láthatjuk (LC rezgıkör). A frekvencia- meghatározó elem szerint a szinuszos oszcillátorok lehetnek: LC, RC, és kvarc oszcillátorok. LC oszcillátorok Az LC oszcillátorok rezgıköre Ezen oszcillátorok frekvencia- meghatározó eleme egy rezgıkör. A rezgıkör csillapításának kompenzálását egy erısítı biztosítja. Az LC oszcillátorokat fıleg nagyfrekvenciás tartományban alkalmazzák, mivel kisfrekvenciákon a rezgıkör elemei nagy értékőek lennének, ezért veszteségük is megnıne. A nagy jósági tényezıjő rezgıkörök nagyfrekvencián könnyen megvalósíthatóak. Az LC oszcillátorok többféle kapcsolása ismert. A kapcsolások amelyeket ismertetünk, nevük a feltalálójukra utal. Az LC oszcillátorok típusai: hangolt kollektorkörő Meissner-oszcillátor hangolt báziskörő Meissner-oszcillátor kapacitív hárompont-csatolású Collpits-oszcillátor induktív hárompont-csatolású Hartley-oszcillátor A Meissner-oszcillátor A Meissner- oszcillátor jellemzıje, hogy transzformátoros visszacsatolással mőködik, és a frekvencia- meghatározó elem a transzformátor primer tekercsével párhuzamosan kapcsolt kondenzátor által meghatározott rezgıkör. A rezgıkör viselkedése A következı ábra az oszcillátor kapcsolását mutatja, melyben hangolt kollektorkörös emitterkapcsolású erısítıfokozatot alkalmaznak. A kimeneti feszültség a tranzisztor kollektorán lép fel és fázist fordít. A frekvenciája f = 2π L C 0. A hangolt kollektorkörös Meissner oszcillátor 3

4 A kapcsolási rajz elemzése A pozitív visszacsatolás megvalósítására a kimeneti feszültség egy részét az L tekerccsel lecsatoljuk, és az R, C soros tagon keresztül visszavezetjük a tranzisztor bázisára. A kapcsolásban fontos szerepet játszik az L és L tekercsek menetiránya, hiszen a visszacsatolt jel a tekercsek menetirányának megfelelıen azonos vagy ellentétes fázisban kerül vissza a kollektorkörbıl a bázisra. RC oszcillátorok Az RC oszcillátorokat kisfrekvencián (pl. hangfrekvencián) használjuk. A közös emitteres erısítı kimeneti és bemeneti feszültsége közötti os eltérést RC elemekkel állítjuk helyre (pl. fázistolós oszcillátornál). Az RC oszcillátorok egy részének hangolható a frekvenciája. Ilyen a Wien-hidas oszcillátor. Az LC oszcillátorok típusai: fázistolós oszcillátor (nem hangolható), Wien-hidas oszcillátor ( hangolható), Kettıs T-hidas oszcillátor (nem hangolható). Wien-hidas oszcillátor A híd felépítése A Wien-hidas oszcillátor esetében a visszacsatolatlan erısítıt egy Wien-híddal csatoljuk vissza. A Wien-híd A híd egy frekvenciafüggı és egy frekvenciafüggetlen ágból áll. A híd baloldali ága frekvenciafüggı, jobb oldali ága pedig frekvenciafüggetlen elemekbıl épül fel. A Wien-híd frekvenciafüggı ága A Wien-híd frekvenciafüggı ágának erısítés-frekvencia jelleggörbéje A Wien-híd frekvenciafüggı ágának fázismenete A híd frekvenciafüggı ága és a leosztott feszültség megállapítása A frekvenciafüggı ág egy osztó áramkör, amelyre igaz, hogy: ω = 0 R C körfrekvencián, az ág alsó részén az U p fázisban van az U bemenı feszültséggel, minden más frekvencián fázistolás lép fel. A híd feszültség-átvitele: U p lesz. 4

5 Tehát a frekvenciafüggı ág által szolgáltatott bemenı feszültség fázisban van az erısítı kimenı feszültségével, amplitúdója annak /3-a, a β = /3 lesz a pozitív visszacsatolási tényezı értéke. A fázistolás értékének meghatározása A jelátvitel a körfrekvencia függvényében úgy változik, hogy az ω 0 körfrekvencián maximális az átvitel, értéke éppen /3 és ezen a frekvencián a tag fázistolása nulla fok. Természetesen a körfrekvencia az RC elemek nagyságának megválasztásától függ, illetve azok változtathatóvá tételével az ω 0 is változtatható. A hídhoz megfelelı erısítıfokozat megválasztása Az erısítı erısítése, A u = 3 értékő kell hogy legyen, hiszen így lesz a hurokerısítés egy értékő. Az erısítıt általában meghatározott frekvenciatartomány átvitelére tervezik. A visszacsatoló kört választjuk frekvenciafüggıre, amint azt az ábrákon is láthatjuk. Az erısítı kialakítása Mivel a híd nem fordít fázist, ezért (fázisfeltétel) az erısítıt is úgy kell kialakítani, hogy fázistolása nulla legyen. A Wien-híd frekvenciafüggı ága az erısítı nem invertáló bemenetére kapcsolja a visszacsatolt jelet, így a fázisfeltétel teljesül. Az amplitúdó feltételt a frekvenciafüggetlen ág teljesíti, ha pl. R = R 2 = R és C = C 2 = C teljesül, akkor az R3 R4 erısítés: A u = 3 = + R3 =. Az erısítés pontos beállítása miatt szükséges az R 4 potenciométer. A R4 2 frekvencia hangolását az R és R 2 együttfutó potenciométerek teszik lehetıvé. Jó alkatrész méretezéssel a kapcsolás az egész hangfrekvenciás sávban (20 Hz-20 khz-ig) szolgáltat szinuszos jelet a kimeneten. Kvarcoszcillátorok Az oszcillátorok frekvenciastabilitása Az oszcillátorok esetében fontos követelmény a frekvencia vándorlása, eltolódása. A jó minıségő oszcillátoroknál a frekvenciaváltozásnak minimálisnak kell lennie. A frekvenciát az áramköri elemek és a tranzisztor paraméterei határozzák meg, amelyek a hımérséklettıl, a tápfeszültség változásától és a terheléstıl függıen változnak. A jóság szerepe A frekvencia pontosságát a relatív frekvenciastabilitással jellemezzük: S f =, f 0 ahol, a f a frekvenciaváltozás, az f 0 pedig a viszonyítási frekvencia. A tervezés során a legnagyobb gondot a tranzisztor paraméterei okozzák, mert ezek a kritikus jellemzık. Az elsıdleges frekvencia- meghatározó elemek (L és C, R és C) jó minıségőeknek kell lenniük, hiszen az oszcillátorkapcsolásnak a stabilitása nem lehet jobb, mint az áramköri elemek stabilitása. Fontos, hogy a terheletlen rezgıkör jósági tényezıje nagy legyen, mert a külsı elemek így csak jelentéktelen mértékben befolyásolhatják a rezonanciafrekvenciát. A kvarc szerepe Igen jó frekvenciastabilitás érhetı el rezgıkvarc alkalmazásával. 5

6 A kristály az egymással szemben lévı oldalaira kapcsolt váltakozó feszültség hatására bizonyos frekvencián mechanikai rezgést végez. Ezek a rezgések a két oldalon elektromos rezgéseket eredményeznek. A velük elérhetı frekvenciastabilitás:s= 0 0. A hımérsékletfüggés A kvarcok frekvenciája hımérsékletfüggı, ezért hımérséklet befolyásolja a pontosságot. A frekvenciastabilitás a kristály hımérsékletének állandósításával tovább növelhetı. A kristály hımérsékletét termosztát alkalmazásával lehet állandó értéken tartani. A termosztálásnak több lehetséges megoldása is ismert. A soros és a párhuzamos rezonancia frekvencia A viselkedésüknek a következı ábrán látható egyszerősített helyettesítı kapcsolásban az L s,c s és r s áramköri elemeket tartalmazó soros rezgıkör felel meg. A rezgıkvarcnak soros és párhuzamos rezonanciája is van. A kristály áramköri jelölése A kristály helyettesítı képe A Miller-kapcsolású oszcillátor A fegyverzetek közötti kristálykapacitás C p, amely sokkal nagyobb, mint a C s kapacitás, ezért a kristály rezonanciafrekvenciáját az L s és C s értékek határozzák meg. Ha a kristály jellemzıi: C p = 0pF, C s = 0,0pF, L s = 0,H, r s = 0 Ω, akkor a jósági tényezı: L s 4 Q 0 = = 0. rs Cs A nagy jósági tényezı az oka a kvarckristályokkal épített oszcillátorok nagyon nagy frekvenciastabilitásának. A Miller-kapcsolású oszcillátor Az oszcillátorban a pozitív visszacsatolást a FET C -el jelölt, drain-gate parazita kapacitása biztosítja. Az LC rezgıkört a kristály rezonanciafrekvenciája alá hangolják, ahol induktív jelleget mutat. Sokszor alkalmaznak trimmer kondenzátort, amelyet a kvarccal sorosan párhuzamosan kapcsolnak, melynek segítségével az oszcillációs frekvencia pontosan beállítható. A kvarckristályokkal kb. 00 MHz-ig lehet oszcillátorokat kialakítani. A felharmónikus tartalmat kihasználva lehetıség kínálkozik ettıl jóval nagyobb frekvenciájú kvarcstabilizált oszcillátorok készítésére. 6