4. oscilatori (09)

28
1 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 2 Oscilatori: generišu signal na izlazu i kada nema pobude. U osnovi postoje dve kategorije: Oscilatori prostoperiodičnih osciacija linearni Oscilatori složenoperodičnih oscilacija – generatori funkcija Oscilatori 28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 3 A=y i /(x u +x r ); B= x r / y i ; A r =y i /x u ; Opšta struktura pojačavača sa povratnom spregom. Kolo povratne sprege Kolo pojačavača Opterećenje x r y i x u +x r B x u =0 KAKO Oscilatori generišu signal na izlazu i kada nema pobude? 28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 4 Opšta struktura oscilatora Opterećenje Izvor signala y i =Ax r ; x r = By i ; Kolo povratne sprege Kolo pojačavača x r y i x r B AB=1 y i =ABy i ; Dakle, ako je AB=1, signal y iz postoji i kada nema pobudnog signala !!!

Upload: sasa68

Post on 27-Oct-2014

154 views

Category:

Documents


5 download

TRANSCRIPT

Page 1: 4. Oscilatori (09)

1

Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 2

Oscilatori: generišu signal na izlazu i kada nema pobude.

U osnovi postoje dve kategorije:

Oscilatori prostoperiodičnih osciacija linearni

Oscilatori složenoperodičnih oscilacija – generatori funkcija

Oscilatori

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 3

A=yi/(xu+xr); B= xr / yi ; Ar= yi/xu;

Opšta struktura pojačavača sa povratnom spregom.

Kolo povratne sprege

Kolo pojačavača OpterećenjeIzvor signala

xr

yixu xu +xr

B

xu=0

KAKO Oscilatori generišu signal na izlazu i kada nema pobude?

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 4

Opšta struktura oscilatora

OpterećenjeIzvor signala

yi=Axr; xr = Byi ;

Kolo povratne sprege

Kolo pojačavača

xr

yixr

B

AB=1yi=AByi;

Dakle, ako je AB=1, signal yiz postoji i kada nema pobudnog signala !!!

Page 2: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 5

Opšta struktura oscilatora

Izvor signala

B(s)A(s)1A(s)

(s)(s)

(s)rAul

iz

VV

Viz(s)=A(Vul (s)+ Vr(s)); Vr (s)=BViz(s);

Kolo pojačavača Opterećenje

Kolo povratne sprege

Vr (s)

Viz(s)

B(s)

Vul (s)=0

Vul (s) + Vr (s)

Viz(s)=A(Vul (s)+ BViz(s))

U frekvencijskom domenu s=j=j2f

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 6

Za A(s)B(s)=1 0

)()()(

(s)rAsV

sVsV iz

ul

iz

Može se dobiti signal na izlazu i ako je Vul(s)=0 !!!

A(s)B(s)=1 Barkhauzenov kriterijum oscilovanja

B(s)A(s)1A(s)

(s)(s)(s)rA

ul

iz

VV

Opterećenje

Kolo povratne sprege

Vr (s)

Viz(s)

B(s)

Vul (s)=0

Vul (s) + Vr (s)

Opšta struktura oscilatora

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 7

Sadrži dva uslova

OpterećenjeIzvor signala

Kolo povratne sprege

Kolo pojačavača

xr

yixr

B

Im{ A(s)B(s)} = 0 Re{ A(s)B(s)} = 1

A(s)B(s)=1 Barkhauzenov kriterijum oscilovanja

signali su u fazi signal se ne pojačava (stabilnost)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 8

Im{ A(s)B(s)} = 0

Re{ A(s)B(s)} = 1

A(s)B(s)=1 Barkhauzenov kriterijum oscilovanja

Re{ A(s)B(s)} > 1

Re{ A(s)B(s)} < 1

Page 3: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 9

Im{ A(s)B(s)} = 0 Re{ A(s)B(s)} = 1

A(s)B(s)=1 Barkhauzenov kriterijum oscilovanja

Konjugovano kompleksni polovi

tjtj eee

tjs

2,1

amplituda frekvencija

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 10

U ovom kursu – linearni oscilatori

Iako u nazivu LINEARNI, oni moraju da sadrže i nelinearne elemente da bi zadržali kontrolu veličine amplitude

• RC oscilatori,

• Ocilatori sa oscilatornim kolima - LC oscilatori

• Ocilatori sa kristalom kvarca

Oscilatori

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 11

Analiza u 2 koraka:

- Analiza u s-domenu - linearna

- Analiza kontrole amplitude - nelinearna

Oscilatori

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 12

Za matematičare:

analiza se svodi na određivanje korenova karakteristične jednačine

Prvi korak

i/ili

(s)(s))(

B(s)A(s)1A(s)

xy(s)rA

ul

iz

u

i

VV

(s)(s)(s) iz

iz

V 0(s) (s)izV

1-A(s)B(s)=0

(s)B(s)A(s)1A(s)(s)(s)rA(s) ululiz VVV

0(s)izV

Page 4: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 13

Prvi korak

Da bi se oscilacije uspostavile treba AB > 1;AB=1+

Kako vratiti amplitudu na željenu vrednost?

Nelinearnim kolom za kontrolu amplitude

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 14

Kolo za kontrolu amplitude

Drugi korak

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 15

Kolo za kontrolu amplitude

Za malo vi, diode inverzno polarisane

Vo = - (Rf/R1 )Vi +

+ (R4+R5)/(R2+R3+R4+R5)V +

+ (R2+R3)/(R2+R3+R4+R5)(-V)

Vo = - (Rf/R1 )Vi

za R2=R5 i R3=R4

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 16

Kolo za kontrolu amplitude

Za malo vi, diode inverzno polarisane

Vo =-(Rf/R1 )Vi

Page 5: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 17

Kolo za kontrolu amplitude

Kada vi poraste, v0 se smanji, tako da D1 provede

Nagib (pojačanje) = -Rf’/R1

Rf’ =Rf||R3 < Rf

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 18

Kolo za kontrolu amplitude

Za negativno vi, v0 poraste, tako da D2 provede

Nagib(pojačanje) = -Rf’’/R1

Rf’’ =Rf||R4 < Rf

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 19

Kolo za kontrolu amplitude

D1 provede, kada VA<V=0.7V

VA =VR3/(R2+ R3) + VoR2/(R2+ R3)

D2 provede, kada VB>V=0.7V

VB =-VR4/(R4+ R5) + VoR5/(R4+ R5)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 20

Kolo za kontrolu amplitude

5

4

5

4 1RRV

RRVL (s)

2

3

2

3 1RRV

RRVL (s)

Page 6: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 21

Kolo za kontrolu amplitude

Postoje i druga rešenja za kontrolu amplitude koja će biti pomenuta tokom kursa.

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 22

RC oscilatori (10Hz – x100kHz)

• Oscilator sa Vinovim mostom

• Oscilator faznog pomeraja

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 23

Oscilator sa Vinovim mostom (Wien)

B = Zp /(Zp + Zs ) = sCR/[sCR+(1+sCR)2]

A = 1+R2/R1

)ωCR

1j(ω3

/RR1)AB(jω 12

CR28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih

oscilacija 24

Oscilator sa Vinovim mostom (Wien)

)ωCR

1j(ω3

/RR1)AB(jω 12

CR

Im{AB(j

za oRC =1/ (oRC);

odakle sledi frekvencija oscilovanja o =1/ (RC)

AB(j)=1

0)ωCR

1j(ω CR

Page 7: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 25

Oscilator sa Vinovim mostom (Wien)

)ωCR

1j(ω3

/RR1)AB(jω 12

CR

Uslov oscilovanja:

Re{AB(j za (1+R2/R1)=3 R2/R1 = 2

AB(j)=1

3/RR1

)ωCR

1j(ω3

/RR1)AB(jω 1212

CRZa =1/(RC)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 26

Oscilator sa Vinovim mostom (Wien)

Bp = 1/(3+jRC+1/jRC)

Bn = R1/(R1 + R2) = 1/3 – 1/gde je

Ukupni koeficijentpovratne sprege može da se posmatra kao razlika pozitivne i negativne povratne sprege B = Bp - Bn

)/RR(3/RR

12

12

12

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 27

Oscilator sa Vinovim mostom (Wien)

Za AB=1 A=

Na frekvenciji , Bp=1/3,

B=Bp-Bn = 1/

Pozitivna

Negativna

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 28

Oscilator sa Vinovim mostom (Wien)

Primer 1.

Page 8: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 29

Oscilator sa Vinovim mostom (Wien)

Primer 1. (za domaći)

b) Naći frekvenciju oscilovanja

[fo=1kHz]

c) Odrediti amplitudu oscilovanja ako je VD=0.7V

[21.36Vpp]

a) Odrediti polove funkcije 1-AB zanemarujući kolo limitera

[s1,2=(105/16)(0.015± j)]

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 30

Oscilator sa Vinovim mostom (Wien)

f se podešava u opsegu

xHz-x MHz

R – grubo podešavanje

C – fino podešavanje

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 31

Oscilator sa Vinovim mostom (Wien)

Primer 2.

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 32

Oscilator sa Vinovim mostom (Wien)

Primer 2. (za domaći)

b) Naći frekvenciju oscilovanja

[fo=1kHz]

a) Odrediti položaj potenciometra pri kome se uspostavljaju oscilacije

[20k]

Page 9: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 33

Oscilator faznog pomeraja

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 34

Oscilator faznog pomeraja

Praktična realizacija

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 35

Oscilator faznog pomeraja

Analiza

Prekine se kolo u nekoj tački M

AB = V2/V1

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 36

Oscilator faznog pomeraja

a) Odrediti fukciju povratne sprege kola bez limitera[AB=2C2RRf/[4+j(3RC-1/(RC))]

b) Odrediti frekvenciju oscilovanja i minimalnu vrednost Rf pri kojoj će se uspostaviti oscilacije

[fo = 574.3Hz, Rfmin=120 k]

Primer 3. (za domaći)

Page 10: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 37

Oscilator faznog pomeraja

Primer realizacije sa diskretnim komponentama

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 38

Oscilator faznog pomeraja

Aktivni elementi rade u klasi A da bi se smanjila izobličenjaZahtevaju komponente sa velikim pojačanjem

(zbog velikog slabljenja u RC kolu)Gornja granična frekvencija ograničena vrednostima elemenata kola i graničnim frekvencijama aktivnih elemenata do 100kHz.

za FET, R>>RD=3.5k, tako da se bira R=35k, a tada je potrebno da C=1.86nF za fo=1kHz;

Donja granična frekvencija ograničena veličinompasivnih elemenata C !!!

RC1ω

6

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 39

Oscilatori sa oscilatornim kolima (LC- oscilatori)

(100kHz – 100MHz)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 40

Oscilatori sa oscilatornim kolima (LC- oscilatori)

Aktivni elementi rade u klasi C zbog većeg stepena iskorišćenja i većeg broja harmonika

f se kontroliše u opsegu x100kHz – x100MHz

Page 11: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 41

Oscilatori sa oscilatornim kolima (LC- oscilatori)

Primer realizacije sa diskretnim komponentama

f oscilovanja definiše paralelno oscilatorno kolo (energetski rezervoar)

Odnos X1 i X2 određuje jačinu povratne sprege

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 42

Oscilatori sa oscilatornim kolima (LC- oscilatori)

Analiza

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 43

Oscilatori sa oscilatornim kolima (LC- oscilatori)

Analiza

jX1

jXs

jX2Rg Vm BEVBE

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 44

Oscilatori sa oscilatornim kolima (LC- oscilatori)

Analiza

Xs= - (X1+X2)

gmR= X2 /X1

Xs reaktansa suprotnog karaktera od X1 i X2 !!!

Jačina sprege

Moguće kombinacije, X1 =C1, X2 = C2, Xs = Ls ili

X1 =L1, X2 = L2, Xs = Cs ili druge

jX1

jXS

jX2R

gmVBE

VBE

Page 12: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 45

Oscilatori sa oscilatornim kolima (LC- oscilatori)

Kolpicov (Colpitts)

Kolo za AC signal Kompletno kolo

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 46

Oscilatori sa oscilatornim kolima (LC- oscilatori)

Kolpicov (Colpitts)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 47

Oscilatori sa oscilatornim kolima (LC- oscilatori)

Hartlijev (Hartley)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 48

Oscilatori sa oscilatornim kolima (LC- oscilatori)

Milerov (Muller)

Page 13: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 49

Oscilatori sa oscilatornim kolima (LC- oscilatori)

Sa induktivnom spregom

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 50

Oscilatori sa negativnom otpornošću

Negativna otpornost koristi se za kompezaciju gubitka na otpornim elementima oscilatornog kola tokom jedne periode oscilacija.

Oscilatori sa negativnom otpornošću

Principijelna šema kola oscilatora sa negativnom otpornošću

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 51

Ravnoteža struja u ovom kolu je iskazana jednačinom

011 uu

uu iv

RdtdvCdtv

L

Oscilatori sa negativnom otpornošćuOscilatori sa negativnom otpornošću

iL iCiR

0111

u

uu

uu v

Rv

RdtdvCdtv

L

0111

u

u

uu v

RRdtdvCdtv

L28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih

oscilacija 52

Oscilatori sa negativnom otpornošću

Re i Im deo rešenja karakteristične jednačine su

222,1

2,1

411

21

uu GGCLC

jGGC

s

js

Oscilatori sa negativnom otpornošću

Page 14: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 53

Oscilatori sa negativnom otpornošću

Da bi oscilacije mogle da se održe ili rastu sa porastom vremena potrebno je da bude Σ≥0, To je moguće samo za

uGG

22411

21

uu GGCLC

GGC

js 21,

S obzirom da je G>0, sledi da je neophodno obezbediti

Gu< 028. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih

oscilacija 54

Oscilatori sa negativnom otpornošću

Kako obezbediti negativnu otpornost?

Oscilatori sa negativnom otpornošću

Upotrebiti dvopol koji ispoljava osobinu negativne otpornosti:

- Tunel dioda

- Sprega komplementarnih komponenti

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 55

Oscilatori sa negativnom otpornošću

Kako obezbediti negativnu otpornost?

Oscilatori sa negativnom otpornošću

Tunel dioda

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 56

Oscilatori sa negativnom otpornošćuOscilatori sa negativnom otpornošću

Sprega komplementarnih komponenti (JFET)

VSDN=VDSP; VD=VSDN+VDSP VDS=VD/2, a VGSN=VD

211 D

pN

DDSN

pN

GSND

VVVGV

VVGI

VDSP

VSDN

VGSN

Page 15: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 57

Oscilatori sa negativnom otpornošću

Sprega komplementarnih komponenti (JFET)

94 pN

D

VV pND VV

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 58

Oscilatori sa negativnom otpornošćuSprega komplementarnih komponenti BJT

Tranzistori T2 i T3 čine strujno ogledalo tako da porast napona V ima za posledicu porast struje IR a time i IC3; ova struja se oduzima od struje baze T1, tako da IC1opada. Ako se pomoću izvora I0 obezbedi da je IC1>IR, dvopolće ispoljavati negativnu otpornost.

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 59

Oscilatori sa negativnom otpornošću

Sprega komplementarnih komponenti BJT

0

23 R

VVII BERC

301 CB III

0

20301 R

VVIIIII BECBC

0

20

0

2

0

201

1R

VVIRVV

RVVIIII BEBEBE

RC

0

20 R

VVII BE

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 60

Oscilatori sa negativnom otpornošćuOscilatori sa negativnom otpornošću

Sprega komplementarnih komponenti BJT

0

20 R

VVII BE

sa porastom V, I opada.

00

1IIRVV BE

a otpornost

10

R

IVR

Page 16: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 61

Oscilatori sa kristalom kvarca

Oscilatori sa kristalom kvarca

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 62

Oscilatori sa kristalom kvarca

U elektronskim kolima kristal kvarca ima ulogu dvopola. Na dve suprotne stranice kristala nanese se sloj metala na koji se, preko provodnika, dovede signal.

Pobuđen naizmeničnim signalom, kristal kvarca ponaša se kao el. impedansa:

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 63

Otpornost R1 je vrlo mala, tako da se može smatrati da se kristal kvarca ponaša kao čisto reaktivni dvopol, odnosno kao idealno oscilatorno kolo.

Oscilatori sa kristalom kvarcaOscilatori sa kristalom kvarca

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 64

Oscilatori sa kristalom kvarca

Kristal kvarca ima dve rezonantne frekvencije: - rednu (grana L1C1)

i

Oscilatori sa kristalom kvarca

- paralelnu (zaptivno kolo)

11

1CLr

10

101

1

CCCCL

p

Page 17: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 65

Oscilatori sa kristalom kvarcaOscilatori sa kristalom kvarca

fr i fP razlikuju se veoma malo zato što je C0>>C1.

Ponaša se kao veoma selektivna impedansa jer je prirednoj rezonansi reaktansa jednaka 0 a pri paralelnoj teži beskonačnosti.

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 66

Oscilatori sa kristalom kvarca

Oscilatori sa kristalom kvarca prave se za generisanje fiksne frekvencije oscilovanja. Mogu se napraviti sa promenljivom frekvencijom ali je stabilnost frekvencije oscilovanja manja.

Oscilatori sa kristalom kvarca

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 67

Oscilatori sa kristalom kvarca

Brojne vrednosti elementa modela za tri kristala kvarca.

Oscilatori sa kristalom kvarca

41.825.562050MHz5.412.211.52510MHz

4.2722520822MHz

[pF][pF][mH][]rezonantnafrekvencija

CoC1L1R1Parametrimodela

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 68

Kristal može da se priključi kao kapacitivnost ili kao induktivnost.

Oscilatori sa kristalom kvarca

C-karakter

L-karakter

Oscilatori sa kristalom kvarca

Tada se ostvaruje tzv. kvarcna kontrola frekvencije oscilovanja, a frekvencija oscilovanja nije jednaka ni jednoj od rezonantnih frekvencija kristala.

Page 18: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 69

Kolo Colpicovog oscilatora sa kvarcnom kontrolom.

Oscilatori sa kristalom kvarca

Pirsov (Pierce)oscilator.

Oscilatori sa kristalom kvarca

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 70

Oscilatori sa kristalom kvarca

Pirsov oscilator

Oscilatori sa kristalom kvarca

CMOS invertor kao pojačavač

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 71

Najpovoljnije da oscilator osciluje na rezonantnoj frekvenciji kristala.

Oscilatori sa kristalom kvarca

Dobija se velika stabilnost frekvencije oscilovanja uz smanjena izobličenja signala.

Oscilatori sa kristalom kvarca

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 72

Stabilizacija frekvencije oscilovanja

Page 19: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 73

Stabilizacija frekvencije oscilovanja

Frekvencija oscilovanja menja se u vremenu. Stabilnost frekvencije određuje se kao količnik priraštaja frekvencije u datom vremenskom intervalu i nominalne vrednosti frekvencije.

ωΔ

fΔfSf

T T-T

f f+f28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih

oscilacija 74

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanja

Stabilnost frekvencije zavisi od stabilnosti faze signala u povratnoj petlji, a ona zavisi od aktivnih i pasivnih elemenata u kolu i od otpornosti potrošača.

ωΔ

fΔfSf

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 75

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanja

Parametri aktivnog elementa menjaju vrednosti zbog promene položaja radne tačke (promena napona napajanja i/ili temperature).

Starenje utiče na promenu vrednosti, kako aktivnih tako i pasivnih elemenata kola.

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 76

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanja

Razlikuju se nestabilnost merena na

- kratkom ili na

- dugom intervalu.

Page 20: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 77

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanja

Nestabilnost u kratkom intervalu može nastati usled

- nestabilnosti električnih signala (šumova) i

- nestabilnosti ambijenta.

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 78

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanja

Nestabilnost električnih signala posledica je naglih (impulsnih) i kratkotrajnih promena napona napajanja.

Nestabilnost ambijenta podrazumeva mehaničke šokove koji u poluprovodničkim i piezoelektričnim komponetama izazivaju dramatične promene električnih osobina.

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 79

Uzroci nestabilnosti na dugom intervalu mogu biti- neelektrični (dominantni)

- temperaturska nestabilnost ambijenta i - starenje komponenata.

- električni- nestabilnost otpornih elemenata,- nestabilnost napajanja, amplitude i sl.

Posebnu grupu nestabilnosti predstavljaju uslovi radaoscilatora.

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanja

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 80

Smanjenje nestabilnosti usled promene otpornosti potrošača u kolu postiže se vezivanjem potrošača preko razdvojnog stepena (bafera) čija je ulazna otpornost velika.

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanja

Rp

Page 21: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 81

Posebna pažnja se poklanja

stabilizaciji napona izvora za napajanje,

temperaturskoj stabilizaciji radne tačke,

izboru tolerancija pasivnih elemenata i njihovog kvaliteta i sl.

Dalje povećanje stabilnosti postiže se

modifikacijama kola oscilatora ili

primenom kristala kvarca.

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanja

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 82

Jedan od načina smanjenja nestabilnosti koja je posledica promena parametra aktivnih elemenata i parazitnih elemenata reaktansi u oscilatorima sa oscilatornim kolima, jeste

umetanje reaktansi na red sa priključcima aktivnog elementa ili

na red sa otpornikom potrošača. Karakter i veličina rektansi bira se tako da

omogući potiranje onih sabiraka u izrazu za frekvenciju oscilovanja koji sadrže parametre aktivnog elementa i parazitne elemente oscilatornih kola.

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanja

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 83

r

G

Rp

Stabilizacija frekvencije oscilovanja

)(111

SSLL LjrZZ

Y

Primer:Kolpicov oscilator sa FETom u kome je uzeta u obzir parazitna otpornost ‘r’ kalema ‘Ls‘

r

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 84

Stabilizacija frekvencije oscilovanja

Primer:Izraz za frekvenciju oscilovanja glasi

RCLr

CL1ω'

2ss

gde je C ekvivalentna

kapacitivnost redne

veze C1 i C2

C=C1C2/(C1+C2);

a R=Ri II Rp

r

G

Rp

Page 22: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 85

Stabilizacija frekvencije oscilovanja

Primer:

ωLωC

1 X ωCX1

22

LL

LL

YCjX

jXjY

Xj

Xj

RS

YYCj

jY

2

11

0

)(

Da bi se izbegao uticaj r na , treba neutralisati C2koji figuriše u izrazu. Zato se dodaje jX.

22Cω1L

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 86

za frekvenciju oscilovanja dobija se

a za uslov oscilovanja21S

2120 CCL

CCω

RCCrCCS

2

121

20

Na ovaj način je obezbeđeno da frekvencija oscilovanja ne zavisi od potrošača i od parametara aktivnog elementa.

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanja

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 87

jX

r+jXS

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanja

*Ne može se u potpunosti neutralisati uticaj gubitaka jer je izostavljeno razmatranje uticaja parazitnih kapacitivnosti aktivnog elementa.

Isti efekat postiže se i kod ostalih oscilatora sa oscilatornim kolima primenom induktivnog ili kapacitivnog karaktera zavisno od oscilatora i grane u koju se umeće.

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 88

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanja

Kako i koliko promena parametara kola utiče na promenu frekvencije oscilovanja?

Dodatak

Page 23: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 89

Približni izraz za frekvenciju Colpitz-ovog oscilatora glasi:

LCCCCCLS

11

21

210

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanja

Kako i koliko promena parametara kola utiče na promenu frekvencije oscilovanja?

Dodatak

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 90

Ukoliko se kapacitivnost promeni za ΔC promena frekvencije oscilovanja je

1

CΔC1

1LC1

LC1

ΔC)L(C1Δω0

Stabilizacija frekvencije oscilovanja

Relativna promena frekvencije je

1

CΔC1

1ωΔω

0

0

CΔC

211

CΔC

211

Dodatak

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 91

LL

21

0

0

Istim postupkom dolazi se i do relativnog priraštaja frekvencije koji je posledica promene induktivnosti

Iako je izraz identičan, promena kapacitivnosti značajnije utiče na promenu frekvencije oscilovanja Kolpicovog oscilatora u apsolutnom iznosu od promene induktivnosti. Ovo je posledica kako promene kapacitivnosti C1 i C2tako i promene parazitnih kapacitivnosti aktivnog elementa.

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanjaDodatak

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 92

Razmotrimo reaktivni deo Klapp-ovog oscilatora koji nastaje iz Colpitz-ovog oscilatora kada se na red sa LSveže kondezator CS.

frekvencija oscilovanja je

eS0 CL

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanjaDodatak

Page 24: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 93

gde je

21

21

21

21

CCCCC

CCCCC

CCCCC

S

S

S

Se

Za velike vrednosti C1 i C2, odnosno C >> CS dobija se Ce≈ CS, pri tome vrednost L nije degradirana. Promene C1 i C2, izazvaće relativno male promene Ce :

11

1

)()(

CCC

CC

CCCC

CCCC

CCCCCCC

S

S

S

S

S

S

Se

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanjaDodatak

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 94

S obzirom da je CS< < C, relativni priraštaj Cemanji je od relativnog priraštaja C i to za odnos CS/C:

2)(1 CC

CC

CCCCC

CCC

CC

CCC

CCC

CC

CC S

S

S

S

S

S

e

e

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanja

Dakle, nestabilnost Klapovog oscilatora usled promene kapacitivnosti, manja je od nestabilnosti Kolpicovog oscilatora.

Dodatak

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 95

Uslov oscilovanja Klapovog oscilatora jeste da grana koja sadrži LS i CS ima induktivni karakter. Klappov oscilator može da se razmatra kao Kolpicov kod koga je ekvivalentna induktivnost definisana sa:

SSS

SSS CL

LC

LL 200

00

/ 1111

Uvođenjem CS smanjena je ekvivalentna induktivnost!Kao posledica toga dobija se manja vrednost za potrebnu strminu aktivnog elementa - što je povoljno.

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanjaDodatak

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 96

Da bi se postigla veća stabilnost, C1 i C2 treba da budu što veći, a to zahteva aktivni element sa većom strminom (da bi se zadovoljio uslov oscilovanja) što nije moguće uvek postići.

Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanja

Dalje povećanje stabilnosti postiže se stavljanjem oscilatora u komoru sa konstantnom temperaturom ili upotrebom kristala kvarca, a nekad upotrebom oba rešenja.

RCCrCCS

2

121

20

Page 25: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 97

Ugrađivanjem kristala kvarca u kolo oscilatora postiže se velika stabilnost, reda 10-6.

Kristal kvarca karakteriše veoma tačna mehanička prirodna frekvencija oscilovanja.

Zato, pobuda promenljivim naponom, izaziva mehaničke oscilacije tačno definisane frekvencije.

Frekvencija oscilovanja zavisi od dimenzija i načina obrade kristala.

Oscilatori sa kristalom kvarcaStabilizacija frekvencije oscilovanja

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 98

Stabilnost frekvencije oscilatora sa kristalom kvarca

Oscilatori sa kristalom kvarcaStabilizacija frekvencije oscilovanja

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 99

Stabilizacija amplitude oscilovanja

Stabilizacija amplitude oscilovanja

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 100

Stabilizacija amplitude oscilovanja

Amplituda oscilacija oscilatora nije određena uslovom oscilovanja, već zavisi od veličine aktivne oblasti rada aktivnog elementa.

Velika amplituda dovodi radnu tačku u nelinearni deo karakteristika aktivnog elementa, čime se unosi sadržaj haromijskih komponenti i nestabilnost frekvencije.

Velika stabilnost frekvencije zahteva stabilnu amplitudu oscilacija.

Stabilizacija amplitude oscilovanja

Page 26: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 101

Stabilizacija amplitude oscilovanja

- automatska regulacija pojačanja (ARP);ili

- upotreba nelinearnih elemenata u kolu

Stabilizacija amplitude oscilacija:

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 102

Stabilizacija amplitude oscilovanjaStabilizacija amplitude oscilovanja

Stabilizacija amplitude oscilovanja primenom automatske regulacije pojačanja (ARP)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 103

Stabilizacija amplitude oscilovanjaStabilizacija amplitude oscilovanja

-+

Princip rada automatskog prednapona:

- Za V1>V diode, pri negativnoj poluperiodi, teče struja id,

- CD se puni do određene negativne vrednosti,

- na Rd je negativni napon. RT aktivnog elementa postavi se

na željenu vrednost (VGS<0), Za ostalo vreme, dioda je

zakočena, a C se sporo prazni preko velikog Rd i Ro.

t

Vi

t

id

t

V

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 104

Stabilizacija amplitude oscilovanjaStabilizacija amplitude oscilovanja

-+

Ako amplituda oscilacija raste: - poraste i amplituda V1; - pri negativnoj poluperiodi

poraste ugao protoka struje id, - CD se dopuni na veću negativnu

vrednost, - na Rd je negativniji napon,

- RT aktivnog elementa pomera se u oblast manje strmine,

-smanjuje se pojačanje,

-samnjuje se amplituda oscilacija.

t

Vi

t

id

t

V

Page 27: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 105

Treba voditi računa o upotrebljenoj vrednosti kondezatora u RC kolu:

- male vrednosti neće doprineti stabilizaciji - velike vrednosti mogu izazvati prestanak oscilacija.

Ako je vremenska konstanta pražnjenja RSCEmnogo veća od periode signala, kondezator se neće prazniti za vreme dok aktivna komponenta ne vodi; u toku narednog intervala, kada komponenta vodi,dopuniće se na negativnu vrednost, što ima za posledicu sve dublje zakočenje tranzistora i pored toga što amplituda oscilacija ne raste već opada.

Stabilizacija amplitude oscilovanjaStabilizacija amplitude oscilovanja

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 106

Stabilizacija amplitude oscilovanjaStabilizacija amplitude oscilovanja

Stabilizacija amplitude oscilovanja primenom nelinearnih elemenata – primer oscilator sa Vinovim mostom

Treba obezbediti ograničenje velikih signala.

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 107

Stabilizacija amplitude oscilovanjaStabilizacija amplitude oscilovanja

Stabilizacija amplitude oscilovanja primenom nelinearnih elemenata.

Velika otpornost

Mala otpornost

Mala otpornost

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 108

Stabilizacija amplitude oscilovanjaZaključak

AnalizaNeophodna POZITIVNA povratna spregaBarkhauzenov uslovA(s)B(s)=1

- frekvencija oscilovanja Im{A(s)B(s)}=0- uslov oscilovanja Re{A(s)B(s)}=1

Page 28: 4. Oscilatori (09)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 109

Stabilizacija amplitude oscilovanjaZaključak

Tipovi:- RC oscilatori

- Vinov most- Fazni pomeraj

- Oscilatori sa oscilatornim kolima- Kolpicov- Hartlejev- sa induktivnom spregom- sa negativnom otpornošću

- Oscilatori sa kristalom kvarca (Pirsov)

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 110

Stabilizacija amplitude oscilovanjaZaključak

Teško10kHz-1GHzKvarc

Lako100kHz-100MHzLC

Lako10Hz-1MHzRC

Mogućnost regulacje ff opsegTip

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 111

Stabilizacija amplitude oscilovanja

Sledećeg časa:

Izvori jednosmernog napona – Usmerači napona

28. decembar 2009 Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 112

Stabilizacija amplitude oscilovanja

Sledećeg časa:

Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija –nastavakIzvori jednosmernog napajanja - usmerači