4. oscilatori (09)
TRANSCRIPT
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 !!!
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
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
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
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)
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
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.
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]
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)
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
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
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)
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
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
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
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
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.
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
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.
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
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
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
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
1ω
Stabilizacija frekvencije oscilovanjaStabilizacija frekvencije oscilovanjaDodatak
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
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
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
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
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