Vf oscilátory (LC a krystalové)

Úvod (princip zpětnovazebních oscilátorů)

Oscilátor je obvod, který vyrábí harmonické (sinusové) napětí určitých parametrů (velikosti, frekvence,…). Jedním z principů jak oscilátor realizovat je vytvoření kladné zpětné vazby v zesilovači takové velikosti, že zesilovač přestane být stabilní a rozkmitá se. Připomeňme zapojení zesilovače s kladnou zpětnou vazbou.

Figure 1. Kladná zpětná vazba

Aby se obvod rozkmital tak musí platit amplitudová podmínka vzniku oscilací: A·β > 1 a fázová podmínka vzniku oscilací ϕ_A + ϕ_β = 0, 2π,… Zesilovač obvykle zabezpečuje amplitudovou podmínku a může být realizován vf tranzistorem případně vf integrovaným zesilovačem. Fázová podmínka, která určuje frekvenci kmitů, se definuje pomocí pasivního obvodu v kladné zpětné vazbě. Pro oblast vf (rádio) > 100 kHz, se jako pasivní obvody používaly LC obvody především rezonanční obvody sériový a paralelní.

Čím má rezonanční obvod vyšší jakost Q, tím má ostřejší amplitudovou rezonanční charakteristiku a také strmější přechod fázové charakteristiky v okolí nuly - to má vliv na stabilitu oscilátoru. Čím strmější přechod tím je oscilátor stabilnější.

Pro dobrou stabilitu kmitů oscilátoru je třeba vysoká jakost (především cívky) a také to, aby se vlastnosti součástek neměnily: teplotou, stárnutím. Pro moderní systémy jsou vlastnosti oscilátorů založených na LC obvodech nedostatečné a proto je jejich frekvence řízena výbrusem krystalu.

Meissnerův oscilátor

Základem tohoto vf oscilátoru je vf tranzistorový zesilovač v zapojení SE (invertující), který zajišťuje amplitudovou podmínku. Kolektorový rezistor sloužící jako pracovní impedance (převod proudu na napětí) je nahrazen paralelním rezonančním LC obvodem.

Kladná zpětná vazba je zajištěna pomocí druhého vinutí indukčnosti. Tečky označují začátky vinutí a z obrázku je zřejmé, že vinutí jsou zapojena v protifázi. Podmínky oscilací jsou splněny takto:

amplitudová: zesílení zesilovače, přenos transformátoru,
fázová: invertující zesilovač, paralelní rezonanční obvod s druhým vinutím v protifázi.

Figure 2. Meissnerův oscilátor

Velice podobný je Armstrongův oscilátor, ve kterém je rezonanční obvod umístěn v bázi tranzistoru.

Clappův oscilátor

Clappův oscilátor se řadí mezi tzv. tříbodové oscilátory - rezonanční obvod má tři vývody, tři body napojení - v obrázku označeny modře 1, 2 a 3. Kondenzátor v rezonančním obvodu je rozdělen na několik částí: kondenzátor v sérii s cívkou C_S a tzv. kapacitní dělič tvořený kondenzátory C₁ a C₂. Kondenzátory C₁ a C₂ mají v porovnání s C_S velké kapacity a proto je jejich vliv na rezonanční frekvenci malý, protože sériové zapojení kondenzátorů se chová jako paralelní zapojení rezistorů: \$1/C = 1/C_S + 1/C_1 + 1/C_2\$ a tudíž největší vliv má nejmenší hodnota. Pokud je C₁ a C₂ >> C_S tak \$C ~= C_S\$. Takto zapojený rezonanční obvod ve zpětné vazbě provede otočení fáze o 180°. Podmínky oscilací jsou splněny takto:

amplitudová: zesílení zesilovače, přenos zpětné vazby (kapacitní dělič),
fázová: invertující zesilovač, tříbodový rezonanční obvod ve zpětné vazbě.

Figure 3. Clappův oscilátor

Clappův oscilátor je variantou Colpittsova oscilátoru.

Krystal

Krystal je pasivní součástka, která se chová jako rezonátor tj. součástka se specifickými vlastnostmi na jedné nebo několika frekvencích. Jedná se výbrus (syntetického) krystalu SiO₂ opatřený vývody. Umisťuje se do vakuovaného pouzdra případně pro zvýšení teplotní nezávislosti do termostatu.

Figure 4. Krystalový rezonátor

El. proud vlivem piezoelektrického jevu vyvolá mechanické kmity. Mechanický systém krystalu vykazuje mechanickou rezonanci - amplituda mechanických kmitů se mění podle frekvence a má špičku pro rezonanční frekvenci. V elektrickém obvodu se tato rezonance projevuje jako sériová rezonance. Lze vytvořit náhradní obvod krystalu.

Figure 5. Náhradní obvod krystalu

Z obrázku je vidět, že mimo sériový rezonanční obvod vytváří paralelní kapacita (vnější kapacita krystalu) ještě paralelní rezonanci.

Figure 6. Frekvenční charakteristika krystalu

Typické hodnoty krystalu 8 MHz: R = 8 Ω , L = 14 mH, C_S = 27 fF, C_P = 5,6 pF.

Jak už bylo řečeno, tak rezonanční frekvence krystalu je dána jeho mechanickými vlastnostmi. Díky tomu je velmi stabilní a málo závislá na teplotě. Nevýhodou oscilátorů řízených krystalem však je, že není možné je přelaďovat.

Je možné jej však doladit pomocí sériově nebo paralelně připojeného kondenzátorového trimru případně varikapu.

Figure 7. Doladění krystalu sériově připojeným kondenzátorem

Figure 8. Doladění krystalu paralelně připojeným kondenzátorem

Clappův oscilátor řízený krystalem

Sériovou kombinaci L a C_S v Clappově oscilátoru lze nahradit krystalem a vzniká tak oscilátor, jehož parametry jsou řízené krystalem.

Figure 9. Clappův oscilátor řízený krystalem

Piercův oscilátor (řízený krystalem)

S oscilátory se velmi často setkáme v číslicové (mikroprocesorové) technice pro řízení taktu číslicových obvodů (mikroprocesorů). Používá se Piercův oscilátor řízený krystalem (sériová rezonance). Jako zesilovač je použit invertor. Krystal spolu s kondenzátory zajišťuje otočení fáze o 180°. Podmínky oscilací jsou splněny takto:

amplitudová: zesílení invertoru, přenos zpětné vazby (kapacitní dělič),
fázová: invertor, obvod s krytalem ve zpětné vazbě.

Figure 10. Pierce oscilátor s invertorem (hradlo NOT)

Za oscilátor je pak zařazen obvod pro převod harmonického (sinusového) napětí na obdélníkové pro číslicové obvody.