Хармонијски осцилатор

Хармонијски осцилатори су осцилатори који генеришу синусоидални облик сигнала. Најчешће се под хармонијским осцилаторима сматрају линеарни хармонијски осцилатори.

Хармонијски осцилатор

Хармонијски осцилатори су, поред релаксационих осцилатора (мултивибратор, кружни осцилатор), основна врста електронских осцилатора. Електронски осцилатор је електронско коло које производи електронски сигнал који се понавља у времену у виду синусне функције или правоугаоне поворке.

Конструкција хармонијског осцилатора

Основна форма хармонијских осцилатора је електронски појачавач. Излаз електронског појачавача је настављен на електронски филтар, а излаз из филтра на улаз у појачавач доведен је моделом повратне спреге. У тренутку када се укључи напајање на појачавачу, излаз из појачавача састоји се само од шума. Шум циркулише повратном спрегом, изфилтриран је и поново се доводи на улаз појачавача све док се постепено не достигне жељени облик сигнала. Саставни део филтра може бити и карактеристични кристал (обично кварц) као део кристалног осцилатора и служи како би утицао на стабилност фреквенције. Постоји више начина имплементације хармонијских осцилатора у зависности од начина на који се може појачавати и филтрирати сигнал.

Подела

Основне врсте хармонијских осцилатора у зависности од имплементације:

• Амстронгов осцилатор
• Хартлијев осцилатор
• Колпицов осцилатор
• Клапов осцилатор
• Пирсов осцилатор (кристални)
• Осцилатор који обрће фазу
• РЦ осцилатор
• Попречно везани осцилатор
• Вачкаров осцилатор
• Опто-електронски осцилатор

Амстронгов осцилатор

Слика 1. Шеме Амстронговог осцилатора

Амстронгов осцилатор (такође познат и као Мејсенеров осцилатор) је добио име по његовом проналазачу, електронском инжењеру Едвину Амстронгу. Понекад се назива и осцилатор са калемом, јер се у повратној спрези да би производио осцилације користи калемски намотај преко магнетског спајања међу намотајима. Код слабог, али довољно снажног споја да одржи осцилације, фреквенција је одређена примарно у зависности од кондензатора и индуктивноти и приближно износи:

${\frac {1}{2\pi {\sqrt {LC}}}}$

У реалним колима стварна вредност осцилација се мало разликује од вредности дате формулом због унутрашње отпорности капацитнивности и индуктивности, као и услед пуњења дела кола од стране магнетног намотаја.

Шема се у основи састоји од регенеративних пријемника амплитудски модулисаних сигнала. У таквим апликацијама антена је повезана на додатни намотај калема и повратна спрега се на тај начин умањује, као на пример веома малим повећавањем растојања између намотаја да се у колу извршава мање осцилација. Резултат оваквих апликација на кола је ограничени опсег радио фреквенције филтера и појачавача. С друге стране, нелинеарна карактеристика транзистора омогућава демодулацију ауди сигнала.

Хартлијев осцилатор

Упроштена сема Хартлијевог осцилатора

Хатрлијев осцилатор је ЛЦ електронски осцилатор код којег повратна спрега функционише на принципу намотаја са одводом који су постављени паралелно са кондензатором. Иако не постоји изразита потреба за постојањем заједничког споја међу два сегмента са намотајима и шема се обично имплементира баш у таквом облику. Хартлијев осцилатор има есенцијалну улогу у конфигурацијама које користе парове серијски повезаних намотаја са кондензатором. Осмислио га је Ралф Хартли 1915. године.

Хартлијев осцилатор је сачињен од једног промјенљивог кондензатора и два калема серијски везана која не морају бити обострана.

Предности ове врсте осцилатора:

• фреквенција се може подешавати захваљујући промјенљивој капацитивности
• амплитуда коју добијамо на излазу остаје константна током варијација фреквенције
• потребни су или намотаји са одводом или фиксни калеми

Недостаци:

• добија се велики број хармоника ако се излаз узима са појачавача а не директно из ЛЦ кола

На основу анализе кола, може се примијетити да ако је индуктивност два намотаја L1 и L2 дата, онда ће укупна ефективна индуктивност бити одређена учестаношћу осциловања (тј. фактором k ):

$L_{0}=L_{1}+L_{2}+k{\sqrt {L_{1}L_{2}}}$

Колпицов осцилатор

Име је добио по проналазачу Едwин Х. Цолпиттсу. Колпиц је у дизајнирању електронских осцилатора користио комбинацију индуктивности и капацитивности у циљу регулисања фреквентних карактеристика, тако да се овај осцилатор такође може назвати и ЛЦ осцилатор. Карактеристике ове врсте осцилатора су једноставност у поступку израде (потребан је само један калем) и чврстоћа.

У првим израдама овог осцилатора фреквенција је била одређена са два кондензатора и индуктивношћу.

Колпицов осцилатор са заједничком базом

Колпицов осцилатор са заједничким колектором

Колпицов осцилатор је електронски двојник Хартлијевог осцилатора. Основна шема Колпицевог кола дата је са два кондензатора и калемом који одређују фреквенцију осциловања. Повратна спрега која је потребна за осциловање добија се из напонског разделника две капацитивности, док се код Хартлијевог осцилатора то постизало захваљујући напонском разделнику два индуктивитета. Да би се омогућило стабилно функционисање овог система, као и код било ког другог случаја осцилатора, повећавање активне компоненте би требало да буде знатно веће него слабљење напонског разделика над капацитивношћу.

Када рецимо користимо Колпицов осцилатор у изради осцилатора са променљивом фреквенцијом, најбољи начин је да користимо промјенљиву индуктивност за контролисање промена фреквенције уместо коришћења једног или два кондензатора. Чешће се користи варијанта осцилатора где је калем такође уземљен, што доводи до лакшег генерисања високих фреквенција. Енергија повратне спреге усмерена је у правцу тачке спајања два кондензатора. Појачавач у овом случају даје струјно, а не напонско појачање.

Фреквенција осциловања Колпицовог осцилатора у идеализованим условима дата је једначином:

$f_{0}={1 \over 2\pi {\sqrt {L\left({C_{1}C_{2} \over C_{1}+C_{2}}\right)}}}$

Код реалних кола фреквенција има мало мању вредност услед споја кондензатора и транзистора и неидеалности осталих карактеристика.

Клапов осцилатор

Клапов осцилатор

Клапов осцилатор је врста електронског осцилатора који је конструисан од транзистора и мреже повратне спреге, при чему се користи комбинација индуктивности и капацитивности за контролисање фреквенције, тако да се и овај осцилатор сврстава у групу ЛЦ осцилатора.

Са шеме се може уочити да мрежа обухвата један калем и три кондензатора, где два кондензатора који формирају напонску разлику и њоме је одређена количина напона повратне спреге који се доводи на улаз појачавача. Клапов осцилатор је заправо Колпицов осцилатор где је додатни кондензатор постављен серијски са калемом. Фреквенција осциловања дата је једначицном:

$f_{0}={1 \over 2\pi }{\sqrt {{1 \over L}\left({1 \over C_{0}}+{1 \over C_{1}}+{1 \over C_{2}}\right)}}$

Клапова шема се много чешће користи од Колпицове шеме у конструкцији осцилатора са променљивом фреквенцијом, јер се везивањем нултог кондензатора на ред са L избјегава да напон повратне спреге буде промјенљив, што није случај код Колпицовог осцилатора.

Пирсов осцилатор

Једноставни Пирсов осцилатор

оригинална публикована шема Пирсовог осцилатора, Патент 1789496 објављен 20. јануара 1931.

Користи се у имплементацији кола кристалног осцилатора. Осмислио га је Харвардски професор Џорџ Пирс. Пирсов осцилатор је сличан Колпицовом. Сви дигитални ИЦ осцилатори Пирсовог типа имају шеме имплементиране користећи се минималним бројем компоненти: једним дигиталним инвертором, два отпорника, два кондензатора и кварцним кристалом, који се понаша као јако осјетљиви елемент филтра. Оно што му даје посебну предност над осталим типовима јесте мала цена производње и изванредна стабилност кварцног кристала.

Први отпорник има улогу да утиче на инвертором да ради у линеарном делу карактеристике и врло ефикасно утиче на њега да се понаша као инвертујући појачавач са великим појачањем. То се уочава ако се претпостави да је инвертор идеалан са бесконачном улазном импедансом и нултом излазном импедансом и тада је отпорник тај који контролише улазни и излазни напон буду исти.

Кристал комбинован са кондензаторима креира пи мрежу филтера пропусника опсега, који даје фазу померену за 180 степени и напонско појачање од излаза до улаза при приближно резонантној фрквенцији кристала. Може се користити помоћни отпорник између излаза инвертора и кристала да изолује инвертор од кристала. На овај начин изазива се додатни померај фазе на првом кондензатору. Укупна капацитивност која се из кристала види у преосталом делу кола се зове капацитивност пуњења. Када се производе паралелни кристали, користи се Пирсов осцилатор са тачно одређеном капацитивношћу пуњења (обично од 18 до 20 пФ) при подешавању кристала да осцилује на тачно предодређеним жељеним карактеристикама. Да би се оствариле пожељне фреквенцијске перформансе, поред серијске комбинације кондензатора у капацитивност се мора укључити и капацитивност пуњења CL и улазна и излазна капацитивност инвертора Ci и Co, као и оне које настају услед карактеристика самог осцилатора, ПЦБ шеме и кристалног кућишта.

$CL={\frac {(C_{1}+C_{i})(C_{2}+C_{0})}{C_{1}+C_{2}+C_{i}+C_{0}}}+C_{s}$

Повећавајући капацитивност пуњења осетно се смањује фреквенција генарисана Пирсовим осцилатором, али се она никад неће смањити до нивоа серијске резонантне фреквенције.

Осцилатори са помереном фазом

Фазно померени осцилатор је једноставни синусоидални електронски осцилатор. Састоји се од инвертујућег појачавача и повратне гране са филтром који обрће фазу за пи степени при фреквенцији осциловања.

Филтер мора бити направљен тако да за фреквенције изнад и испод фреквенције осциловања сигнал буде помјерен за или мање или више од 180 степени. Најуобичајенији начин да се ово постигне јесте коришћење каскадно везаних отпорника и кондензатора, који заједно не производе никакву промену фазе на једном крају и промену фазе за 270 степени на другом крају. Тако ће на фреквенцији осциловања сваки филтер дати помјерај од 60 степени и цитав склоп ће дати помјерај од 180 степени.

Анализом се добија веома сложен израз за фреквенцију осциловања оваквог осцилатора. Увођењем претпоставки да су капацитивности свих кондензатора међусобно једнаки и износе C и да су сви отпори у колу једнаке вредности R, добија се леп израз за фреквенцију:

$f={\frac {1}{2\pi RC{\sqrt {6}}}}$

РЦ осцилатори

Једноставни РЦ осцилатор са помереном фазом

РЦ осцилатори су линеарна електронска осцилаторна кола која дају синусоидални излазни напон, па се сва осцилаторна кола која користе РЦ мрезу за регулисање фреквенцијске карактеристике називају РЦ осцилатори. РЦ осцилатори су сачињени од појачавача и филтра.

Синусоидални осцилатор

Разликују се два типа синусоидалних осцилатора:

• Један је познат под именом осцилатор Вејинов мост, који се често користи као аудио сигнал генератор.
• Други је Твин-Т осцилатор који има два РЦ кола постављена паралелно једно другом.

Једно коло (Р-C-Р) се понаша као филтар пропустник ниских учестаности а друго (C-Р-C) коло - као филтар пропустник високих учестаности. Заједно ова два кола чине склоп који пропушта сигнал жељене фреквенције осциловања. Сигнал у C-Р-C грани предњачи у односу на сигнал у Р-C-Р грани, тако да је један у односу на другог касне за фреквенцију:

$f={\frac {1}{2\pi RC}}$

Вачкаров осцилатор

Вачкаров осцилатор је стабилна варијанта Колпицовог осцилатора. Инвентирао га је чешки инжењер Јири Вачкар 1949. године у је раду о дизајну стабилног осцилатора. Као резултат рада, предложио је варијанту Колпицовог осцилатора с изменом да је смањио напон повратне спреге на прихватљиви ниво и у исто време одстранио нежељену нестабилност коју је уносила капацитивност. Стабилност осцилатора постигнута је већином због зависности транзистора од транскондуктансе при резонантној фреквенцији ω у подешеном колу.

Оптоелектронски осцилатори

Оптоелектронски осцилатори су оптроелектронска кола која дају синусоидалне облике или модулисане оптички континуалне облике сигнала. Опто-електронски осцилатори су засновани на принципу претварања континуалне светлосне енергије из ласера у радио фреквенције (РФ) или микроталасне сигнале.

Карактеристике оптоелекртонских осцилатора су те што имају велики фактор Q и веома су стабилни. Имају и друге карактеристике које се код осталих електронских осцилатора нису лако постизале. Због оваквих својих особина они се користе у електро-оптичким и фотокомпонентама, које су карактеристичне по високој стопи ефикасности, великој брзини, и малим губицима при фреквенцијама типичним за микроталасни режим рада. Оптоелекртонски осцилатори имају трансмисионе карактеристике модулатора који на принципу фибер оптичког кашњења конвертује светлосну енегрију у стабилне, спектрално чисте радио фреквенцијске сигнале или микроталасне сигнале. Светлост из ласера се доводи на електрооптички модулатор чији излаз, пролазећи кроз дугачко оптичко влакно, бива детектован на фотодетектору. Излаз фотодетектора се појачава и пролази кроз филтар и шаље се назад на Е улаз модулатора.

Овакве конфигурације способне су за самоодрживе (непригушене) осцилације, на фреквенцијама детерминисаним дужином кашњења у влакну, затим напоном поларизације модулатора и пропустним карактеристикама филтра, како за електрични, тако и за оптички излаз.

Види још

• Електронски осцилатор
• Електрична кола

Литература

• „Ит'с Абоут Тиме: А Бриеф Цхронологy оф Цхронометрy”. 
• Технички речник, електронска верзија, Душан Симић, Центар за научна истраживања САНУ и Универзитет у Крагујевцу, 2002 година