Következõ : Szinuszos jelek modulációja és | Tartalomjegyzék | Elõzõ : Az oszcilláció feltétele

Különbözõ oszcillátorok

Nagyon sokfajta oszcillátor kapcsolás ismeretes és használatos. Itt csak az elvileg legfontosabbakat vesszük sorra. A 4.2.1. ábra bal oldalán egy nagyon egyszerû RC hálózat rajza látható. Ez a hálózat arról nevezetes, hogy létezik egy olyan frekvencia, amelynél a kimenõjel fázisa megegyezik a bemenõjel fázisával. Ezen a frekvencián a hálózat erõsitése 1/3 . Ha ehhez a hálózathoz olyan erõsítõt kapcsolunk, aminek az erõsítése 3, vagy annál kicsivel nagyobb, és a kimenetet a bemenetre visszavezetjük, akkor rezgõ rendszerhez jutunk.

4.2.1. ábra

A háromszoros erõsítõt legegyszerûbb egy mûveleti erõsítõ negatív visszacsatolásával létrehozni. Így jutunk el az ún. Wien-hídas oszcillátorhoz. (Az elnevezés magyarázata: egy majdnem teljesen kiegyenlített Wien-híd ici-pici kimenõjelét erõsíti a nagy erõsítésû rendszer kimenõjellé, hogy az táplálja a híd bemenetét...) Az áramkör egy gyakori változatában a negatív visszacsatolási ágban izzólámpát alkalmaztak. Ennek ellenállása ugyanis a rájutó teljesítmény hatására növekszik. Ha tehát növekszik a kimenõjel amplitudója, akkor nõ a negatív visszacsatolás mértéke, csökken az erõsítés, ami lecsökkenti a kimenõjel amplitudóját - az izzólámpa tehát egyfajta amplitudó stabilizálást eredményez. Megjegyezzük, hogy újabban termisztorokkal, vagy egyéb negatív hõkoefficiensû ellenállásokkal készítik ezt az áramkört. A 4.2.2. ábra az ún. fázistoló oszcillátort mutatja. Az RC létrahálózat azzal a tulajdonsággal rendelkezik, hogy az $\omega$ frekvencián fázist fordít. Ekkor a bemenõjel 1/29-ed része jut a hálózat kimenetére. Ha tehát egy legalább 29-et erõsítõ - önmagában is fázist fordító - erõsítõ fokozathoz kapcsoljuk, akkor rezgõ rendszerhez jutunk. A kapcsolási elrendezés a komplementer hálózat esetén is mûködik, vagyis az R és C elemek kölcsönös cseréje után is.

4.2.2/3. ábra

Eddig olyan oszcillátorokat láttunk, amelyek csak RC elemeket tartalmaztak. Természetesen lehet rezgõköröket is használni frekvencia megszabó elemként, kihasználva azt, hogy a párhuzamos rezgõkör csak a rezõnanciafrekvenciáján jelent számottevõ ellenállást, illetve azt, hogy a soros rezgõkör rezõnancia-ellenállása zérus, vagy legalább is nagyon kicsi. A 4.2.3. ábrán erre látunk példákat. Az elsõ változatnál a párhuzamos rezgõkör csak a rezõnanciafrekvencián jelent akkora ellenállást, hogy a pozitív visszacsatolás domináljon. A második áramkörben a soros rezgõkör rezõnanciafrekvenciáján gyakorlatilag megszûnik a negatív visszacsatolás, ezért kerül túlsúlyba a pozitív visszacsatolás. Külön kell beszélnünk az ún. kvarckristály oszcillátorokról. A kvarc piezõelektromos tulajdonságú, tehát nyomásra felületén töltések keletkeznek, illetve megfordítva: elektromos feszültség hatására mechanikai feszültség jön létre. Egy helyesen megválasztott alakú kvarclapka tehát mechanikai rezgésekbe kezdhet, ha alkalmas frekvenciájú jellel gerjesztjük. A mechanikai rezgés frekvenciája nyilván a kvarc mechanikai tulajdonságaitól, valamint a lapka geometriai méretétõl függ. A kvarc lapka tehát alkalmas lehet egy oszcilláló rendszer frekvenciájának megszabására. Elektronikus áramkörök rezgési frekvenciájának beállítására azért használnak elõszeretettel kvarckristályokat, mert ezek rendkívül stabil - idõben állandó értékû, hõmérséklettõl alig függõ - rezgési frekvenciát eredményeznek. Stabilitásuk egyszerû kivitel esetén is eléri a 10^-5 - 10^-6 értéket. (Ennek reciprokát könnyebb értelmezni: 10⁵ - 10⁶ másodperc alatt jelentkezik 1 másodperc hiba akkor, ha ebbõl órát csinálunk. Vigyázzunk: ez az adat nem a frekvencia érték pontosságára utal, hanem csak a frekvencia spontán ingadozására, "lötyögésére". A frekvenciát lényegében a kristály gyártásakor, a geometriai méretekkel állítják be. Ez utólag már csak igen kicsiny mértékben szabályozható.) Ha a kristályt termosztátba helyezik - ma már gyártanak igen kicsike méretû, elektronikusan szabályozott termosztátokat - akkor elérhetõ a 10^-8 - 10^-10 stabilitás érték is, ami ugyancsak lenyugözõ eredmény.

4.2.4. ábra
E rendkívüli stabilitás és reprodukálhatóság következtében a mai elektronika egyik legkedveltebb referenciaeleme a kvarc oszcillátor. Számos mérés pontossága növekedett sok nagyságrenddel annak következtében, hogy a mérendõ mennyiséggel arányos frekvenciát állítanak elõ és ezt hasonlítják össze a nagypontosságú etalonnal. A 4.2.4. ábrán látjuk egy oszcillátor célra készített kvarckristály elektromos helyettesítõ képét, a fiktív áramköri elemek tipikus értékeit, a reaktancia változását a fekvencia függvényében. Vegyük észre, hogy soros és párhuzamos rezõnancia egyaránt lehetséges. Az alkalmazások többségében a soros rezõnanciát használják ki, mivel ennek értéke sokkal kevésbé függ az áramkörhöz óhatatlanul társuló szórt kapacitásoktól. Minden olyan áramkör, amelyik soros rezgõkörrel rezgésre képes, alkalmas lehet kristályvezérelt oszcillátor létrehozására is. A 4.2.5. ábra a. és b. részén két "klasszikus" rezgõkörös oszcillátor tranzisztoros változatát látjuk. Az áramkörök természetesen így - tápfeszültség nélkül - nem mûködnek, a valóságos áramkörökben azonban szerepelniük kell. Az ábrák célja csak annyi, hogy bemutassák: a rezgõkörben folyó köráram hatására az induktivitáson, illetve kapacitáson kialakuló feszültség miként képes a bemenetre visszahatni. (A Colpitts oszcillátorról még meg kell jegyeznünk, hogy ez tipikusan nagyfrekvenciás oszcillátor, mivel a tranzisztor szórt kapacitásai - mint abszolút minimumok - szabhatják meg a rezgés frekvenciáját.)

4.2.5. ábra

A 4.2.5. ábra c. része egy nagyon gyakran - fõként rádió vevõkészülékekben - használt oszcillátort mutat. A kollektorkörben elhelyezett rezgõkör induktív csatolással juttat vissza feszültséget a báziskörbe. Ha ez a "transzformátor" fázist fordít, akkor nyilván egyetlen tranzisztorral is tudunk oszcillátort készíteni. Ez az áramkör egy nagyon érdekes tulajdonságot mutat, ami kicsit részletesebb elemzést igényel, ezért "mikroszkóp" alá helyezzük.

4.2.6. ábra

A 4.2.6. ábra az áramkör egy kis részletét mutatja: a bemenõfeszültség, vagyis az L tekercs végpontjain megjelenõ feszültség egy R-C-dióda áramkörre jut. (Feledkezzünk meg arról hogy a valódi áramkörben az R ellenállás nem a földponthoz kapcsolódik.) Tegyük fel, hogy bemenõfeszültségként szinuszos jel érkezik, amelynek amplitudója "jó nagy". A kimenõfeszültség nyomon követésére a bemenõjel kezdetét bontsuk szakaszokra. Az "a" szakaszban a dióda zárt, tehát ha az RC szorzat jóval nagyobb, mint a periódusidõ, akkor a kimenet eléggé pontosan követi a bemenetet. Ugyanez igaz a "b" szakaszra is. A "c" szakaszban a dióda kinyit, és ideális dióda esetén a rajta kialakuló feszültség csak zérus lehet. Ezen szakaszban a kondenzátor töltõdik, feszültsége megegyezik a bejövõ feszültséggel. A szakasz végére a kondenzátor feltöltodik U₀ értékre, a bejelölt polaritással. A "d" szakaszban a dióda újra lezár, és a kimenetet a feltöltött kondenzátor, valamint a bejövõ jel együttesen szabják meg. A kimeneten kialakuló jelalakot az ábrán láthatjuk.

4.2.7. ábra

A kimeneti jelnek jól észrevehetõ egyenáramú komponense van - másként kifejezve, a vizsgált elrendezés nevezhetõ egyenirányítónak, vagy a késõbbiek szerint demodulátornak is. A dióda a periódusidõ túlnyomó részében zárt, nagyon rövid idõre kinyit, hogy a kondenzátor elvesztett töltése ismét pótlódjon. Ha a dióda nyitott, akkor folyik az eredeti oszcillátor áramkörben kollektoráram. A kollektoráram tehát csak kicsiny idõszakaszokban folyik ( $\Theta$ fázisszögben), vagyis az áramkör úgy mûködik, mint a játszótéri hinta: minden periódusban rövid ideig kap csak gerjesztõ lökést. Ez a kép azt sugallja, hogy elõzõ megfontolásaink korrekcióra szorulnak: nem igaz az a kép, amely szerint a tranzisztor (vagy erõsítõ) lineáris elemnek tekinthetõ. Ad absurdum: a tranzisztor a periódusidõ túlnyomó részében le van zárva, akár ki is húzhatnánk és valami hasznosat csinálhatnánk vele egy másik áramkörben. Az ábra alapos vizsgálatából azt is kideríthetjük, hogy a bemenõ szinuszos jel amplitudójának csökkenésére az áramkör növekvõ $\Theta$ folyási szöggel reagál, ami az amplitudó stabilizálását ereményezi. A 4.2.7. ábra a fent leírt áramkörnek és folyamatnak a számítógépes szimulációját mutatja. Jól látható, hogy - a bekapcsolási jelenségek lezajlása után - a kollektoráram impulzusok csak a priódusidõ törtrészében folynak. Az oszcillátorokkal foglalkozó tárgykör befejezéséül egy fontos fogalommal ismerkedünk, az ún. negatív ellenállásos oszcillátorokkal. A 4.2.8. ábra alapján egy csillapítatlan rezgést keltõ LC rezgõkörös oszcillátort úgy is felfoghatunk, mintha a rezgõkör elkerülhetelen veszteségi ellenállásai (huzalok ellenállása, dielektromos veszteség, sugárzás) mellé párhuzamosan egy azonos értékû negatív ellenállást helyeznénk. A kérdés csupán az, hogy honnan vegyünk negatív ellenállást, vagyis olyan elemet, amelyiknek feszültség-áram karakterisztikájában van olyan szakasz, ahol a feszültség növekedésével az áram csökken. Ilyen speciális félvezetõ elemek léteznek: az ún. alagútdióda is ezek közé tartozik. De negatív ellenállást viszonylag könnyen létesíthetünk visszacsatolt áramkörökkel is. Erre is látunk példát az ábra jobb oldalán. Érdemes belegondolni: olyan elem, kapcsolás, amelyik karakterisztikája mindenütt negatív, nem létezhet, mert ez korlátlan energiaforrás lenne. Valós rendszerek csak korlátos szakaszokon lehetnek negatív ellenállásúak. Az energiát a tápfeszültségforrásokból nyerik.

4.2.8. ábra

Következõ : Szinuszos jelek modulációja és | Tartalomjegyzék | Elõzõ : Az oszcilláció feltétele

1999-09-23