|
'''Oscilator''' je [[električno kolo]] koje stvara izlazni [[signal]] određene [[frekvencija|frekvencije]]. Dizajnirani su tako da pretvaraju jednosmernujednosmjernu električnu energiju u naizmeničnunaizmjeničnu.
==Konstrukcija i uslov oscilovanja==
Oscilatori se sastoje iz tri deladijela: [[pojačivačpojačavač]]a, deladijela za određivanje frekvencije i mreže [[povratna sprega|povratne sprege]]. DeoDio za određivanje frekvencije je jezgro oscilatora gdje se generiše određena frekvencija koja se zove rezonantna frekvencija. Mreža povratne sprege može biti otporna, reaktivna ili njihova kombinacija. Faktor povratne sprege B se izvodi iz izlaznog napona, dok je pojačanje pojačivacapojačavaca A. Njihov proizvod AB daje kružno pojačanje. Upravo od njega i zavisi uslov oscilovanja, koji se sastoji od dva kriterijuma poznatih kao Barkhauzenovi kriterijumi:
*Pojačanje AB mora biti barem 1, odnosno Re{AB}=1, Im{AB}=0;
*Fazni pomerajpomjeraj petlje mora biti 0, odnosno |AB|=1, Arg{AB}=0.
To u stvari znači da je neophodno da signal, prolazeći od ulaza do izlaza, i vraćajuci se ponovo preko povratne sprege do ulaza, NE MENJAMIJENJA ni amplitudu ni fazu. Ako ovaj uslov važi za jednu frekvenciju, izlaz je čisto [[sinusni talas]], a ako važi za više frekvencija izlaz je složeni talas. Neki oscilatori su napravljeni da rade u određenim uslovima tako da je izlaz [[četvrtasti signal|četvrtasti]], [[trougaoni signal|trougaoni]] ili [[impulsni signal]]. Od AB zavisi kakve će biti oscilacije, tj. ako je:
*AB=1,oscilacije su stalne;
*AB>1 rastuće;
==Stabilizacija amplitude oscilovanja oscilatora==
Amplituda oscilovanja oscilatora nije određena uslovom oscilovanja, već zavisi od veličine aktivne oblasti rada aktivnog elementa. Velika amplituda dovodi radnu tačku u nelinearni dio karakteristika aktivnog elementa, čime se unosi sadržaj [[harmonik|harmonijskih komponenti]] i nestabilnost frekvencije. Velika stabilnost frekvencije zahtevazahtijeva stabilnu amplitudu oscilacija. Stabilizacija amplitude oscilacija se realizuje kao:
*[[automatska regulacija pojačanja]] (ARP) ili
*upotreba nelinearnih elemenata u kolu.
==Stabilnost frekvencije oscilovanja==
Ukoliko frekvencija oscilovanja odstupa od specificirane vrednostivrijednosti, onda se ovo odstupanjepomjeranje frekvencije može izraziti u procentima ili ako se uvede i temperaturno zavisnozavisni odstupanjepomjeraj, može se izraziti i u Hercima po stepenu Celzijusovom. [[Šum]] u oscilatoru moze biti generisan eksterno ili interno. Harmonici mogu biti posledicaposljedica neodgovarajućeg projektovanja ili kalibracije oscilatora. U najvećem broju telekomunikacionih predajnika i prijemnika, harmonici i drugi neželjeni signali se mogu eliminisati [[Elektronski filter|filtrima]] i automatskom kontrolom pojačanja. VariranjePomjeraj frekvencije ili stabilnost je najvažniji parametar kod projektovanja oscilatora, a na stabilnost mogu uticati sledeći faktori:
*Opterećenje
*Povezivanje napajanja
Oscilator bi trebalo da radi pri manjim snagama ili se mogu koristiti [[kondenzator]]i pomoću kojih se prevazilazi problem vezivanja napajanja.
*Temperaturne promenepromjene
Na ovo se može delovatidjelovati korišćenjem komponenata sa poznatim temperaturnim koeficijentima. Na primerprimjer, može se koristiti kondenzator sa negativnim temperaturnim koeficijentom za kompenzaciju pozitivnog temperaturnog koeficijenta kola za podešavanje.
*Odabir komponenata
Komponente sa uskim opsegom tolerancije bi trebalo koristiti kad god je to moguće, kao i kristal [[kvarc]]a.
==Neke vrste oscilatora==
Oscilatori se prave od LC kola (kola koje se sastoji od kalema i kondenzatora) ili od RC kola (kola koje se sastoji od otpornika i kondenzatora) pa otuda i jedna od podelapodjela oscilatora na: LC i RC oscilatore.
===RC oscilatori===
*'''Vinov oscilator'''
Vinov oscilator se sastoji iz 2 RC kola, jednog gdegdje su R i C redno vezani i drugog, gdegdje su R i C paralelno vezani. Vinov oscilator ima veliku upotrebu u generatorima zvučnih signala, jer se lako može podešavati koristeći [[varijabilni kondenzator]] ili [[potenciometar]] (koji je lakše postići od varijabilnog kondenzatora potrebnog za generisanje na malim frekvencijama). Amplituda izlaznog signala zavisi od toga koliko je pojačanje AB veće od 1; za preveliko pojačanje se javlja zasićenje. Da bi se ovo sprečilospriječilo, veže se mreža sa [[Zener dioda|zener diodom]].
Amplituda električnih oscilatora teži porastu sve dok se ne dostignu ograničenja pojačivačapojačavača, što dovodi do visokih harmonijskih izobličenja, koja su često nepoželjna. Dok su se nekad za stabilizaciju amplitude Vinovog oscilatora koristile užarene [[sijalica|sijalice]] (postavljene u povratnoj sprezi oscilatora da ograniče pojačivačpojačavač), danas se umjesto njih koriste efekat polja tranzistora i [[fotoćelija|fotoćelije]]. Još jedan način stabilizacije amplitude je korišćenje nelinearnih elemenata, kao sto su diode, za modifikovanje otpornosti negativne povratne sprege. Frekvencija oscilovanja Vinovog oscilatora je:
<math>f = \frac{1}{2 \pi R C}</math>
*Analiza ulazne admitanse
Ako je izvor napona priključen direktno na idealni pojačivačpojačavač sa povratnom spregom, ulazna struja će biti:
<math>i_{in} = \frac{v_{in} - v_{out}}{Z_f}</math>
Ako je <math>v_{in}</math> ulazni napon, tada je <math>v_{out}</math> je izlazni napon, i <math>Z_f</math> impedansa povratne sprege. Ako je naponsko pojačanje pojačivačapojačavača dato sa:
<math>A_v = \frac{v_{out}}{v_{in}}</math>
<math>Z_f = R + \frac{1}{j \omega C}</math>
SkraćivanjemSređivanjem se dobija:
<math>Y_i = \frac{\left ( 1 - A_v \right ) \left (\omega^2 C^2 R + j \omega C \right) }{1 + \left (\omega C R \right ) ^ 2}</math>
<math>L_{in} = \frac{\omega^2 C^2 R^2+1}{\omega^2 C \left (A_v-1 \right)}</math>
Ako je kondenzator sa istom vrednošćuvrijednošću ''C'' vezan paralelno sa ulazom, kolo ima rezonansu na:
<math>\omega = \frac{1}{\sqrt {L_{in} C}}</math>
RešavanjemRješavanjem dobijamo:
<math>L_{in} = \frac{R^2 C}{A_v - 2}</math>
<math>R_{in} = -R</math>
Ako je otpornik vezan paralelno na ulaz pojačivačapojačavača, poništiće deodio negativne otpornosti. Ako je mreža otpornosti negativna, amplituda će rasti dok ne dođe do odsecanjaodsijecanja. Slično, ako je mreža otpornosti pozitivna, amplituda će se izobličiti. Ako je otpornost vezana paralelno sa tačnom vrednošćuvrijednošću R, mreža otpornosti će biti konačna i kolo moze postići stabilnu oscilaciju na bilo kojoj amplitudi dozvoljenoj od strane pojačivačapojačavača. PrimećujePrimjećuje se, da sa porastom pojačanja mreža otpornosti postaje negativnija, što dovodi do rasta amplitude. Kad je pojačanje tačno 3, kad je dostignuta odgovarajuća amplituda javiće se izobličenja. Kola amplitudske stabilizacije povećavaju pojačanje, sve dok se ne dostigne odgovarajuća izlazna amplituda. Sve dok su R, C i pojačivačpojačavač linearni, izobličenja ce biti minimalna.
*'''Dvojni T-oscilator'''
Dvojni T-oscilator se koristi kada uski opseg šuma frekvencije oko jedne frekvencije mora biti smanjen. Sastoji se od 2 RC kola, gdegdje su u oba slučaja R i C vezani paralelno. Jedno kolo je R-C-R, koje se ponaša kao niskopropusni filterfiltar, a drugo je C-R-C, koje se ponaša kao visokopropusni filterfiltar. Ova 2 kola zajedno prave most koji se podešava željenom frekvencijom oscilovanja. Ima dobru frekventnu stabilnost.
*'''Oscilator sa faznim pomakom'''
Oscilator sa faznim pomakom se sastoji iz invertujućeg pojačivačapojačavača i filtra koji pomjera fazu za 180 stepeni na frekvenciji oscilovanja. FilterFiltar mora biti takav da na frekvencijama ispod i iznad frekvencije oscilovanja, signal je pomerenpomjeren za manje ili više od 180 stepeni. Najčešće se ovakav filterfiltar dobija koristeći 3 kaskadna otpornik-kondenzator filterafiltra, koji nemaju faznifaznog pomakpomaka na jednom kraju frekvencijske skale, i koji imaju fazni pomak od 270 stepeni na drugom kraju. Na frekvenciji oscilovanja, svaki stvara fazni pomak od po 60 stepeni, tj. celocijelo kolo filterafiltra 180 stepeni.
[[Слика:RC phase shift oscillator.svg|оквир|oscilator sa faznim pomakom]]
Jedna od najjednostavnijih izrada ovog tipa oscilatora koristi operacioni pojačivačpojačavač, 3 kondenzatora i 4 otpornika, kao sto se vidi na dijagramu. Određivanje frekvencije i kriterijuma oscilovanja je matematički veomajako složeno. To je pojednostavljeno postavljanjem svih otpornika (osim otpornika povratne sprege) i svih kondenzatora na istu vrednostvrijednost. U dijagramu,ako je R1=R2=R3=R i C1=C2=C3=C, onda:
<math>f_{oscilovanja}=\frac{1}{2\pi RC\sqrt{6}}</math>
Bez pojednostavljivanja po kome svi kondenzatori i otpornici imaju istu vrednostvrijednost, sve postaje mnogo složenije:
<math>f_{oscilovanja}=\frac{1}{2\pi\sqrt{R_2R_3(C_1C_2+C_1C_3+C_2C_3)+R_1R_3(C_1C_2+C_1C_3)+R_1R_2C_1C_2}}</math>
2 kondenzatora i 1 kalem određuju frekvenciju oscilovanja. Povratna sprega koja je potrebna za oscilovanje se realizuje preko naponskog deliteljadjelitelja kojeg prave 2 kondenzatora.
Frekvencija oscilovanja:
</math>
gdegdje redna veza C1 i C2 prave efektivnu kapacitivnost LC kola.
Realna kola će oscilovati sa malo nižom frekvencijom.
*Kriterijum stabilnosti
<math>v_2 = i_2 Z_2</math>
GdeGdje je <math>Z_2</math> impedansa od <math>C_2</math>. Struja koja teče kroz <math>C_2</math> je <math>i_2</math>, koja je zbir dvedvije struje:
<math>i_2 = i_1 + i_s</math>
GdeGdje je <math>i_s</math> struja tranzistora, <math>i_s</math> je zavisni strujni izvor dat kao:
<math>i_s = g_m \left ( v_1 - v_2 \right )</math>
GdeGdje je <math>g_m</math> transkonduktansa tranzistora. Ulazna struja <math>i_1</math> će biti:
<math>i_1 = \frac{v_1 - v_2}{Z_1}</math>
GdeGdje je <math>Z_1</math> impedansa od <math>C_1</math>. RešavajućiRješavajući po <math>v_2</math> dobija se:
<math>Z_{in} = Z_1 + Z_2 + g_m Z_1 Z_2</math>
Ulazna impedansa se javlja u vidu 2 kondenzatora redno vezana sa <math>R_{in}</math>,koja je proporcionalna dvemadvjema impedansama:
<math>R_{in} = g_m \cdot Z_1 \cdot Z_2</math>
Ako je kalem vezan na ulaz, kolo će oscilovati, veličina negativne otpornosti ce biti veća nego otpornost kalema.
Na primerprimjer za dati oscilator, struja emitera je oko 1 [[Ampere|mA]], transkonduktansa oko 40 [[Siemens (unit)|mS]], i ako su date ostale vrednostivrijednosti, ulazna otpornost je oko:
<math>R_{in} = -30 \ \Omega</math>
Ova vrednostvrijednost bi trebalo da bude dovoljna da pređe bilo koju pozitivnu otpornost u kolu. Oscilacije se javljaju pri velikim vrednostimavrijednostima transkonduktanse i malim vrednostimavrijednostima kapacitivnosti. Komplikovanija analiza oscilatora sa zajedničkom bazom pokazuje da niske frekvencije naponskog pojačanja pojačivačapojačavača mora biti najmanje 4 da bi se postigle oscilacije. Niska frekvencija pojačanja je data sa:
<math>A_v = g_m \cdot R_p \ge 4</math>
<math>R_{in} = -g_m \omega ^ 2 L_1 L_2</math>
U Hartlejevom kolu, oscilacije se javljaju pri velikim vrednostimavrijednostima transkonduktanse i velikim vrednostimavrijednostima induktivnosti.
*'''Hartlejev oscilator'''
[[Слика:Hartley osc.png|оквир|Sematski dijagram]]
Hartlejev oscilator je LC električno kolo koje stvara povratnu spregu preko paralelne veze L i C. Hartlejev oscilator je u osnovi bilo koja konfiguracija koja koristi par redno vezanih kalemova i 1 kondenzator. Sličan je Kolpicovom oscilatoru s tim da se ovdeovdje deliteljdjelitelj napona realizuje preko 2 kalema.
Dobre strane su da se frekvencija može menjatimijenjati koristeći varijabilni kondenzator i da izlazna amplituda ostaje konstantna u frekvencijskom opsegu, a loša strana je da se javlja međuinduktivnost između kalemova koja uzrokuje neželjene frekvencije oscilovanja. Ovaj oscilator se koristi u svim opsezima emitovanja uključujući FM 88-108 -{MHz}-. Hartlejev oscilator može imati nekoliko LC veza koje uzrokuju pojavu lažnih frekvencija oscilovanja, pa se u prijemnicima često koristi Kolpicov oscilator kao lokalni oscilator.
*'''Klapov oscilator'''
[[Слика:Clapp oscillator.png|оквир|Klapov oscilator]]
Ako se želi koristiti frekvencijski varijabilan oscilator onda veću primjenu ima Klapov u odnosu na Kolpicov, jer kod Kolpicovog oscilatora varijabilni kondenzator se koristi u naponskom deliteljudjelitelju, što dovodi i do varijabilnog napona povratne sprege, pa ne može ostvariti frekvenciju iznad željenog opsega. Kod Klapovog oscilatora se ovaj problem prevazilazi koristeći fiksni kondenzator u naponskom deliteljudjelitelju a varijabilni redno vezan sa kalemom.
*'''Armstrongov oscilator'''
<math>1/(2\pi\sqrt{LC})</math>
U praktičnim kolima,frekvencija oscilovanja je osjetno drugačija od vrednostivrijednosti date ovom formulom zbog kapacitivnosti i induktivnosti, unutrašnjim gubicima (otpornosti), i opterećenja zbog kalema povratne sprege. Kolo je baza regenerativnog prijemnika za amlitudsko modulisane radio signale. U toj aplikaciji, antena je vezana za kalem povratne sprege, i efekat povratne sprege je smanjen, na primerprimjer, malim povećanjem razlike između L i T kalema. Rezultat je uski opseg radio-frekvencijskog filterafiltra i pojačivačapojačavača. Nelinearna karakteristika tranzistora stvara demodulisani audio signal.
Kolo sa slike predstavlja modernu izradu, koristeći FET tranzistor kao pojačivačkipojačavački element.
===Oscilatori sa negativnom otpornošću===
Postoje i druge vrste oscilatora kao na primerprimjer oscilatori sa negativnom otpornošću.
Negativna otpornost koristi se za kompenzaciju gubitka na otpornim elementima oscilatornog kola tokom jedne periode oscilacija. Negativnu otpornost ćemo obezbeditiobezbjediti tako što ćemo upotrebitiupotrijebiti dvopol koji ispoljava osobinu negativne otpornosti:
*Tunel dioda
| 