Oscilátory harmonických kmitů LC a krystalové oscilátory


Sinusové oscilátory - úvod:

Oscilátory jsou generátory harmonického střídavého elektrického signálu, který zpracovávají další elektronické obvody. Oscilátor je typický dvojpól (neboť nezpracovává žádný vstupní signál).

V oscilátoru mohou vznikat kmity - oscilace elektrického proudu dvěma způsoby:

- zesilovačem s vhodnou kladnou zpětnou vazbou (zpětnovazební oscilátory);

- elektrickým prvekem se záporným diferenciálním odporem (např. tunelová dioda).

Sinusové generátory se zpětnou vazbou musí splňovat 2 podmínky oscilace, aby došlo ke vzniku oscilací, a to:

1) Amplitudová podmínka:

(říká, že oscilátor může kmitat pouze tehdy, jestliže pokles zesílení vyrovnává zpětnovazební článek);

2) Fázová podmínka:

(říká, že kmitání se může udržet pouze tehdy, je-li výstupní napětí ve fázi se vstupním napětím).

Splnění podmínek oscilací se dosahuje zapojením kladné zpětné vazby s využitím:

- rezonančního obvodu LC;

- krystalu (druh rezonančního obvodu);

- obvodů RC.


LC oscilátory:

Zpětnovazební LC oscilátory - úvod:

Zpětnovazební LC oscilátory mají řídící obvod (obvod zpětné vazby) sestaven z členů L a C tak, aby tvořili čtyřpól, který umožní spolu s přenosovými vlastnostmi aktivního čtyřpólu splnit amplitudovou a fázovou podmínku vzniku oscilací. Členy L a C určují frekvenci oscilací.

Základní princip LC oscilátoru je shodný se všemi zpětnovazebními oscilátory: zavedením vhodné kladné zpětné vazby z výstupu zesilovače na jeho vstup se obvod rozkmitá.

Zpravidla jsou to oscilátory s jednou zpětnovazební smyčkou, ve které je zapojen jednostupňový zesilovač a pasivní čtyřpól, upravený do tvaru rezonančního obvodu LC a doplněný příslušnými transformačními členy. Podle způsobu zavedení zpětné vazby LC oscilátory dělíme na:

- oscilátory s indukční vazbou (Meissnerův oscilátor);

- oscilátory v trojbodovém zapojení (Colpittův oscilátor, Hartleyův oscilátor, aj.).


Zpětnovazební LC oscilátory - s indukční vazbou:

Meissnerův oscilátor (principiální zapojení obr. A, v principu skutečné zapojení obr. B) je oscilátor, jehož zpětná vazba je realizována pomocí transformátoru, jehož vstupní vinutí tvoří s kondenzátorem rezonanční obvod. Aby byla splněna fázová podmínka oscilací je třeba fázi otočit o 360° - o 180° natočí fázi tranzistor v zapojení SE a o dalších 180° otočí fázi správně zapojená vinutí transformátoru. Amplitudová podmínka kmitání se nastaví transformačním převodem.

Rozbor oscilátoru:

Amplitudová podmínka oscilací je dána vztahem:

kde zesílení (přenos) zesilovače je: Z…dáno impedancí paralelního rezonan. obvodu

a kde přenos zpětnovazebního členu je dán převodem transformátoru:

Impedanci Z vyjádříme úpravami následovně:

Pak vztah pro zesílení Au vypadá:

Při rezonančním kmitočtu fo (platí F = 0) dochází ke vzniku oscilací, pak:

Amplitudová podmínka oscilací pak zní:

Rezonanční kmitočet fo je určen Thomsonovým vztahem:


Zpětnovazební LC oscilátory - tříbodová zapojení:

Tříbodová zapojení oscilátorů jsou taková zapojení, kde indukční nebo kapacitní větev rezonančního obvodu je upravena jako dělič, který je ve třech bodech připojen k zesilovacímu stupni oscilátoru.

Hartleyův oscilátor je oscilátor s indukčním děličem (principiální zapojení obr. A). Rezonanční (oscilační) frekvence je dána kombinací cívek L1 a L2 (cívka L s odbočkou) a kondenzátoru C. Amplitudovou podmínku oscilací nastavujeme poměrem indukčnosti cívek L1 a L2 (cívka L s odbočkou). Fázovou podmínku oscilací získáme správným vzájemným spojením začátků a konců vinutí cívek L1 a L2 a zapojením tranzistoru v zapojení SE.

Colpittův oscilátor je oscilátor s kapacitním děličem (principiální zapojení obr. B). Rezonanční (oscilační) frekvence je dána kombinací kondenzátorů C1 a C2 a cívky L. Amplitudovou podmínku oscilací nastavujeme poměrem kapacit kondenzátorů C1 a C2, přičemž zpětnovazební napětí vzniká na kondenzátoru C2. Fázovou podmínku oscilací zabezpečuje jednak tranzistor v zapojení SE a jednak kapacitní dělič C1 a C2 s uzemněným středem, který otáčí fázi o dalších 180°.

Existuje mnoho dalších tříbodových zapojení oscilátorů např. Clappovo zapojení, Sailerovo zapojení, atd.


Zpětnovazební LC oscilátory - vlastnosti:

Vlastnosti: vf oscilátory s kmitočtem cca desítky Hz - stovky MHz s frekvenční stálostí max. 10-3.


Krystalové oscilátory:

Krystalové oscilátory - úvod:

Krystalové oscilátory jsou oscilátory, které používají piezoelektrický rezonátor - křemenný krystal (schématická značka obr. A). Krystal se přiloženým napětím deformuje a naopak při deformaci se na jeho polepech objeví elektrické napětí. V elektrickém obvodu se pak chová jako velmi jakostní rezonanční obvod (Q = 104 až 106).

Na obr. B je náhradní schéma oscilátoru, kde kapacita C (velmi malá) a indukčnost L (velká) tvoří sériový rezonanční obvod, R je ztrátový odpor krystalu a Cp je kapacita polepů krystalu a vývodů.

Na obr. C jsou frekvenční charakteristiky krystalu, které ukazují, že krystal se chová jako rezonanční soustava, která rezonuje sériově na frekvenci fs a paralelně na frekvenci fp. Oscilátory řízené krystalem využívají buď jednu, nebo druhou frekvenci.

Rezonanční frekvence krystalu je u sériové rezonance fs shodná s Thomsonovým vztahem: , a u paralelní rezonance fp se připojuje ke krystalu relativně velká kapacita, aby se omezil vliv parazitní kapacity Cp, pak bude paralelní rezonance fp téměř shodná s rezonancí sériovou fs, tj. fp fs.


Krystalové oscilátory - zapojení:

Vzhledem k tomu, že v krystalu platí L > C, a chceme-li, aby kmitočet oscilátoru byl určen výhradně krystalem musí se do základního obvodu zapojit tak, aby jeho impedance měla indukční charakter.

Krystalové oscilátory se v podstatě mohou realizovat tak, že u LC oscilátoru nahradíme rezonanční obvod krystalem, který pracuje s paralelní rezonancí. Je však třeba respektovat to, že náhradní kapacita nebo indukčnost krystalu nemůže být využita k přivedení provozního napětí nebo jako dělič, a proto při realizaci je nutné použít přídavný dělič nebo transformátor. V principu skutečné zapojením krystalu v oscilátoru je na obr. D - Pircovo zapojení a na obr. E - Clappovo zapojení.

Krystalové oscilátory - vlastnosti, užití:

Vlastnosti: vf oscilátory s vysokou stabilitou kmitočtu (10-6 až 10-10, tj. např. při stabilitě 10-6 to znamená, že při kmitočtu 1 MHz je odchylka maximálně 1 Hz od jmenovitého kmitočtu)

Užití: pro přesné frekvence v měřicích přístrojích, digitálních hodinách, apod.

dlabos.wz.cz