Elektronisk oscillator - Electronic oscillator

En elektronisk oscillator er en elektronisk krets som produserer et periodisk, oscillerende elektronisk signal, ofte en sinusbølge eller en firkantbølge eller en trekantbølge . Oscillatorer konverterer likestrøm (DC) fra en strømforsyning til et vekselstrøm (AC) -signal. De er mye brukt i mange elektroniske enheter som spenner fra enkleste klokkegeneratorer til digitale instrumenter (som kalkulatorer) og komplekse datamaskiner og eksterne enheter etc. Vanlige eksempler på signaler generert av oscillatorer inkluderer signaler som sendes av radio- og fjernsynssendere , klokkesignaler som regulerer datamaskiner og kvarts klokker og lydene produsert av elektroniske pipere og videospill .

Oscillatorer er ofte preget av frekvensen til utgangssignalet:

  • En lavfrekvent oscillator (LFO) er en elektronisk oscillator som genererer en frekvens under omtrent 20 Hz. Dette begrepet brukes vanligvis innen lydsyntetisatorer for å skille det fra en lydfrekvensoscillator.
  • En lydoscillator produserer frekvenser i lydområdet , omtrent 16 Hz til 20 kHz.
  • En RF -oscillator produserer signaler i radiofrekvensområdet (RF) på omtrent 100 kHz til 100 GHz.

I vekselstrømforsyninger kalles en oscillator som produserer vekselstrøm fra en likestrømforsyning vanligvis en inverter . Før advent av diodebaserte likerettere , ble en elektromekanisk enhet som på samme måte konverterte vekselstrøm til DC kalt en omformer, selv om begrepet nå brukes mer vanlig for å referere til DC-DC buck-omformere .

Det er to hovedtyper av elektronisk oscillator - den lineære eller harmoniske oscillatoren og den ikke -lineære eller avslapningsoscillatoren .

Krystalloscillatorer er allestedsnærværende i moderne elektronikk og produserer frekvenser fra 32 kHz til over 150 MHz, med 32 kHz krystaller som er vanlige i tiden og de høyere frekvensene er vanlige i klokkegenerering og RF -applikasjoner.

1 MHz elektronisk oscillatorkrets som bruker resonansegenskapene til et internt kvartskrystall for å kontrollere frekvensen. Gir klokkesignal for digitale enheter som datamaskiner.

Harmoniske oscillatorer

Blokkdiagram over en lineær oscillator for tilbakemelding; en forsterker A med utgangen v o ført tilbake til inngangen v f gjennom et filter , β (jω) .

Den harmoniske, eller lineære , oscillatoren produserer en sinusformet utgang. Det er to typer:

Tilbakemelding oscillator

Den vanligste formen for lineær oscillator er en elektronisk forsterker, for eksempel en transistor eller operasjonsforsterker som er koblet til en tilbakekoblingssløyfe med utgangen ført tilbake til inngangen gjennom et frekvensselektivt elektronisk filter for å gi positiv tilbakemelding . Når strømforsyningen til forsterkeren slås på i utgangspunktet, gir elektronisk støy i kretsen et signal som ikke er null for å starte svingninger. Støyen beveger seg rundt sløyfen og forsterkes og filtreres til den veldig raskt konvergerer på en sinusbølge med en enkelt frekvens.

Feedback -oscillatorkretser kan klassifiseres i henhold til typen frekvensselektivt filter de bruker i tilbakemeldingssløyfen:

To vanlige LC -oscillatorkretser, Hartley- og Colpitts -oscillatorene

Negativ motstand oscillator

(venstre) Typisk blokkdiagram over en oscillator med negativ motstand. I noen typer er den negative motstandsenheten koblet parallelt med resonanskretsen. (til høyre) En mikrobølge-oscillator med negativ motstand bestående av en Gunn-diode i en hulromsresonator . Den negative motstanden til dioden stimulerer mikrobølgeoscillasjoner i hulrommet, som utstråler blenderåpningen til en bølgeleder .

I tillegg til tilbakemeldingsoscillatorene beskrevet ovenfor, som bruker to-ports forsterkende aktive elementer som transistorer og operasjonsforsterkere, kan lineære oscillatorer også bygges ved hjelp av enports (to terminaler) enheter med negativ motstand , for eksempel magnetronrør , tunneldioder , IMPATT -dioder og Gunn -dioder . Negative motstandsoscillatorer brukes vanligvis ved høye frekvenser i mikrobølgeområdet og over, siden tilbakemeldingsoscillatorer fungerer dårlig på grunn av overdreven faseskift i tilbakemeldingsbanen.

I oscillatorer med negativ motstand er en resonanskrets, for eksempel en LC-krets , krystall eller hulromsresonator , koblet over en enhet med negativ differensialmotstand , og en DC-forspenning påføres for å levere energi. En resonanskrets i seg selv er "nesten" en oscillator; den kan lagre energi i form av elektroniske svingninger hvis den er opphisset, men fordi den har elektrisk motstand og andre tap dempes svingningene og forfaller til null. Den negative motstanden til den aktive enheten avbryter (positiv) intern tapsmotstand i resonatoren, og skaper i realiteten en resonator uten demping, som genererer spontane kontinuerlige svingninger ved resonansfrekvensen .

Den negative motstandsoscillatormodellen er ikke begrenset til enheter med én port som dioder; tilbakemeldings oscillatorkretser med to-portforsterkerenhetene, slik som transistorer og rør har også negativ motstand. Ved høye frekvenser brukes også tre terminalenheter som transistorer og FETer i oscillatorer med negativ motstand. Ved høye frekvenser trenger disse enhetene ikke en tilbakemeldingssløyfe, men med visse belastninger påført den ene porten kan den bli ustabil ved den andre porten og vise negativ motstand på grunn av intern tilbakemelding. Den negative motstandsporten er koblet til en avstemt krets eller resonanshulrom, noe som får dem til å svinge. Høyfrekvente oscillatorer generelt er designet ved hjelp av teknikker med negativ motstand.

Noen av de mange harmoniske oscillatorkretsene er oppført nedenfor:

Aktive enheter som brukes i oscillatorer og omtrentlige maksimale frekvenser
Enhet Frekvens
Triode vakuumrør ~ 1 GHz
Bipolar transistor (BJT) ~ 20 GHz
Heterojunction bipolar transistor (HBT) ~ 50 GHz
Metall-halvlederfelt-effekt-transistor (MESFET) ~ 100 GHz
Gunn -diode , grunnleggende modus ~ 100 GHz
Magne tube ~ 100 GHz
Transistor med høy elektronmobilitet (HEMT) ~ 200 GHz
Klystron -rør ~ 200 GHz
Gunn -diode , harmonisk modus ~ 200 GHz
IMPATT diode ~ 300 GHz
Gyrotron -rør ~ 600 GHz

Avslapningsoscillator

En ikke-lineær eller avslapningsoscillator produserer en ikke-sinusformet utgang, for eksempel en firkantet , sagetann eller trekantbølge . Den består av et energilagringselement (en kondensator eller, mer sjelden, en induktor ) og en ikke-lineær koblingsenhet (en sperre , Schmitt-utløser eller et element med negativ motstand) koblet til en tilbakekoblingssløyfe . Bryteranordningen lader og tømmer periodisk energien som er lagret i lagringselementet og forårsaker brå endringer i utgangsbølgeformen.

Kvadratbølgede avslapningsoscillatorer brukes til å gi klokkesignalet for sekvensielle logiske kretser som tidtakere og tellere , selv om krystalloscillatorer ofte er foretrukket for deres større stabilitet. Trekantbølge- eller sagtannoscillatorer brukes i tidsbaserte kretser som genererer horisontale avbøyningssignaler for katodestrålerør i analoge oscilloskoper og fjernsynsapparater . De brukes også i spenningsstyrte oscillatorer (VCO), omformere og vekselstrømforsyninger , to-skrå analog til digital omformere (ADC), og i funksjonsgeneratorer for å generere firkantede og trekantbølger for testutstyr. Generelt brukes avslapningsoscillatorer ved lavere frekvenser og har dårligere frekvensstabilitet enn lineære oscillatorer.

Ringoscillatorer er bygget av en ring med aktive forsinkelsesstadier. Vanligvis har ringen et oddetall av inverteringstrinn, slik at det ikke er en enkelt stabil tilstand for de interne ringspenningene. I stedet forplanter en enkelt overgang seg uendelig rundt ringen.

Noen av de mer vanlige avslapningsoscillatorkretsene er oppført nedenfor:

Spenningsstyrt oscillator (VCO)

En oscillator kan utformes slik at oscillasjonsfrekvensen kan varieres over et område med en inngangsspenning eller strøm. Disse spenningsstyrte oscillatorene er mye brukt i faselåste sløyfer , der oscillatorens frekvens kan låses til frekvensen til en annen oscillator. Disse er allestedsnærværende i moderne kommunikasjonskretser, brukt i filtre , modulatorer , demodulatorer og danner grunnlaget for frekvenssyntetisererkretser som brukes til å stille radioer og fjernsyn.

Radiofrekvens -VCO -er lages vanligvis ved å legge en varaktordiode til den avstemte kretsen eller resonatoren i en oscillatorkrets. Endring av DC -spenningen over varaktoren endrer kapasitansen , noe som endrer resonansfrekvensen til den avstemte kretsen. Spenningsstyrte avslapningsoscillatorer kan konstrueres ved å lade og utlade energilagringskondensatoren med en spenningsstyrt strømkilde . Å øke inngangsspenningen øker hastigheten på lading av kondensatoren, og reduserer tiden mellom byttehendelser.

Historie

De første praktiske oscillatorene var basert på elektriske buer , som ble brukt til belysning på 1800 -tallet. Strømmen gjennom et lysbue er ustabil på grunn av den negative motstanden , og bryter ofte inn i spontane svingninger, noe som får buen til å lage susende, nynnende eller hylende lyder som ble lagt merke til av Humphry Davy i 1821, Benjamin Silliman i 1822, Auguste Arthur de la Rive i 1846, og David Edward Hughes i 1878. Ernst Lecher i 1888 viste at strømmen gjennom en lysbue kunne være oscillerende. En oscillator ble bygget av Elihu Thomson i 1892 ved å plassere en LC -avstemt krets parallelt med en lysbue og inkluderte en magnetisk utblåsning. Uavhengig, samme år, innså George Francis FitzGerald at hvis dempningsmotstanden i en resonanskrets kunne bli null eller negativ, ville kretsen produsere svingninger, og uten hell prøvde å bygge en negativ motstandsoscillator med en dynamo, hva ville nå kalles en parametrisk oscillator . Lysbueoscillatoren ble gjenoppdaget og popularisert av William Duddell i 1900. Duddell, en student ved London Technical College, undersøkte den hvesende bueeffekten. Han festet en LC -krets (avstemt krets) til elektrodene til en buelampe, og den negative motstanden til lysbuespirert oscillasjon i den avstemte kretsen. Noe av energien ble utstrålt som lydbølger av buen, og produserte en musikalsk tone. Duddell demonstrerte sin oscillator foran London Institute of Electrical Engineers ved å sekvensielt koble forskjellige avstemte kretser over buen for å spille nasjonalsangen " God Save the Queen ". Duddells "sangbue" genererte ikke frekvenser over lydområdet. I 1902 var danske fysikere Valdemar Poulsen og PO Pederson i stand til å øke frekvensen som ble produsert i radioområdet ved å operere lysbuen i en hydrogenatmosfære med et magnetfelt, og oppfinne Poulsen lysbue radiosender , den første kontinuerlige bølgeradiosenderen, som ble brukt gjennom 1920 -årene.

En 120 MHz-oscillator fra 1938 ved hjelp av en parallell stang transmisjonslinje resonator ( Lecher linje ). Overføringslinjer er mye brukt for UHF -oscillatorer.

Vakuumrør-tilbakemeldingsoscillatoren ble oppfunnet rundt 1912, da det ble oppdaget at tilbakemelding ("regenerering") i det nylig oppfunnne audion- vakuumrøret kunne produsere svingninger. Minst seks forskere uavhengig gjorde denne oppdagelsen, selv om ikke alle kan sies å ha en rolle i oppfinnelsen av oscillatoren. I løpet av sommeren 1912, Edwin Armstrong observerte svingninger i audion radiomottagerkretser og fortsatte med å bruke positiv tilbakemelding i hans oppfinnelse av regenerativ mottaker . Østerrikske Alexander Meissner oppdaget uavhengig av hverandre positive tilbakemeldinger og oppfant oscillatorer i mars 1913. Irving Langmuir ved General Electric observerte tilbakemeldinger i 1913. Fritz Lowenstein kan ha gått foran de andre med en rå oscillator i slutten av 1911. I Storbritannia patenterte HJ Round forsterkende og oscillerende kretser i 1913. I august 1912 hadde Lee De Forest , oppfinneren av audion, også observert svingninger i forsterkerne, men han forsto ikke betydningen og prøvde å eliminere det før han leste Armstrongs patenter i 1914, som han umiddelbart utfordret. Armstrong og De Forest kjempet en langvarig juridisk kamp om rettighetene til den "regenerative" oscillatorkretsen som har blitt kalt "den mest kompliserte patentsaken i radiohistorien". De Forest vant til slutt for Høyesterett i 1934 av tekniske grunner, men de fleste kilder anser Armstrongs påstand som den sterkeste.

Den første og mest brukte avslapningsoscillatorkretsen, den astable multivibratoren , ble oppfunnet i 1917 av franske ingeniører Henri Abraham og Eugene Bloch. De kalte deres krysskoblede, dobbelt-vakuum-rørkrets en multivibratør , fordi firkantbølgesignalet det produserte var rikt på harmoniske , sammenlignet med det sinusformede signalet fra andre vakuumrørsoscillatorer.

Tilbakemeldingsoscillatorer for vakuumrør ble grunnlaget for radiooverføring i 1920. Triodevakuumrøroscillatoren fungerte imidlertid dårlig over 300 MHz på grunn av interelektrodekapasitans. For å nå høyere frekvenser ble det utviklet nye "transittid" (hastighetsmodulering) vakuumrør, der elektroner reiste i "bunter" gjennom røret. Det første av disse var Barkhausen - Kurz -oscillatoren (1920), det første røret som produserte strøm i UHF -serien. Den viktigste og mest brukte var klystron (R. og S. Varian, 1937) og hulromsmagnetronen (J. Randall og H. Boot, 1940).

Matematiske betingelser for tilbakemeldingsoscillasjoner, nå kalt Barkhausen -kriteriet , ble utledet av Heinrich Georg Barkhausen i 1921. Den første analysen av en ikke -lineær elektronisk oscillatormodell, Van der Pol -oscillatoren , ble utført av Balthasar van der Pol i 1927. Han viste at stabiliteten til oscillasjonene ( grensesykluser ) i faktiske oscillatorer skyldtes ikke -lineariteten til forsterkningsanordningen. Han stammer fra begrepet "avslapningsoscillasjon" og skulle først skille mellom lineære og avslapningsoscillatorer. Ytterligere fremskritt innen matematisk analyse av oscillasjon ble gjort av Hendrik Wade Bode og Harry Nyquist på 1930 -tallet. I 1969 avledet K. Kurokawa nødvendige og tilstrekkelige betingelser for oscillasjon i kretser med negativ motstand, som danner grunnlaget for moderne mikrobølgeoscillatorsign.

Se også

Referanser

  • Morse, AH (1925), Radio: Beam and Broadcast: Its story and patents , London: Ernest Benn. Radioens historie i 1925. Oscillator -krav 1912; De Forest og Armstrong rettssak jf. S. 45. Telefonhummer/oscillator av AS Hibbard i 1890 (karbonmikrofon har effektforsterkning); Larsen "brukte det samme prinsippet i produksjonen av vekselstrøm fra en likestrømskilde"; tilfeldig utvikling av vakuumrøroscillator; alt på s. 86. Von Arco og Meissner først som gjenkjenner søknad til sender; Rund for første sender; ingen patenterte triodesender på s. 87.

Videre lesning

Eksterne linker