Visokofrekvencijska elektronika FER, ZRK

Transcript

1 R-oscilatori

2 Temeljna obilježja R-oscilatora Mreža povratne veze oscilatora može se sastaviti i od otpornika i samo jedne vrste reaktancija R- oscilatori i ili RL-oscilatori i (RL-inačica se gotovo ne koristi). Mreža povratne veze mora, u zajednici s pojačalom, ispuniti Barkhausenov uvjet samopobude, A. R-oscilatori koriste se za generiranje signala niskih frekvencija, negdje do oko 0 MHz (prevladavaju u području do MHz). U sklopovima R-oscilatora često t se, uz pozitivnu, koristi i negativna povratna veza. Negativna povratna veza pridonosi stabilnijem radu pojačala. Pozitivna povratna veza osigurava samopobudu sklopa. Dobri se rezultati postižu uporabom monolitnih integriranih sklopova pojačala uz standardnu uporabu diskretnih tranzistora.

3 Temeljna obilježja R-oscilatora 3 Dvije su inačice rješenja zajednice pozitivne i negativne povratne veze; pozitivna je povratna veza frekvencijski ovisna (kao kod L-oscilatora), dok je negativna povratna veza frekvencijski neovisna, pozitivna je povratna veza frekvencijski neovisna, dok je negativna povratna veza frekvencijski ovisna. + - R 4 R 3

4 Oscilatori s R- ili R-nizom 4 Mreža povratne veze sastavljena je od tri istovrsna R- odnosno R-sloga. R-slog je visokopropusne frekvencijske karakteristike napona, zakret faze izlaznog signala mijenja se od +90 o (za f 0) do 0 o (za f ). R-slog je niskopropusne frekvencijske karakteristike napona, zakret faze izlaznog signala mijenja se od 0 o (za f 0) do -90 o (za f ). Najmanje tri istovrsna sloga potrebna su za postizanje zakreta faze od 80 o. Zakret faze pojedinog sloga odstupat će od 60 o zbog različitog opterećenja pojedinih slogova u nizu. Primjenjuju se postupci analize oscilatora s povratnom vezom pretpostavljajući veliki ulazni otpor (R IA ) i mali izlazni otpor pojačala (R IIA 0).

5 Oscilatori s R- ili R-nizom 5 Rezultati analize daju: R-oscilator R-niz R-niz Frekvencija, ω 0 = 6 R 6 R Uvjet samopobude, A = 9 9

6 Wien-Robinsonov oscilator 6 Wienovo djelilo ili Wienov slog ima maksimum frekvencijske karakteristike napona pri karakterističnoj frekvenciji ω 0 i fazni je zakret tad jednak nula potrebno je pojačalo zakreta faze od 360 o. Omjer napona Wienova djelila iznosi: U U R R j R R. R u R Naponi u i u će biti u fazi ako je imaginarni dio njihova omjera jednak nuli. Taj uvjet daje karakterističnu frekvenciju djelila, 0 R R. u

7 Wien-Robinsonov oscilator 7 Realni članovi omjera napona određuju prigušenje četveropola odnosno potrebno pojačanje j pojačala, A R R. Kad je R = R i =, kao u sklopu na slici, frekvencija titraja i potrebno pojačanje pojačala u sklopu oscilatora iznose: 0, A R 3. Napon u 4 mora biti nešto manji od u = u /3 (mora postojati diferencijalni napon u d za pobudu pojačala) odnosno R 3 mora biti nešto veći od R 4. u R R 3 R u R 4 u d u4 +

8 8 Wien-Robinsonov oscilator, 4 3 R R R R u u R R R u R R R u Ulazni napon diferencijalnog pojačala jednak je razlici napona,. 4 d u u u u R u R 3 Kako je δ «onda je približno, d u u R + R 4 u4 u d. 9 u d u Minimalno pojačanje potrebno za samopobudu oscilatora jednako je onda,. 9 0 u A u d

9 Oscilator s dvostrukim T-četveropolom 9 m Dvostruki T-četveropol nastao je paralelnim spajanjem dvaju T-četveropola. Frekvencijska karakteristika napona ovog četveropola, U U, pokazuje osobine karakteristike sa zapornim pojasom (band stop). Karakteristična frekvencija četveropola dobiva se ispunjavanjem uvjeta m 0, R 0 što daje,.

10 Oscilator s dvostrukim T-četveropolom 0 Na karakterističnoj frekvenciji prijenosni faktor β je realan, e m m. m m Različito je vladanje ovog četveropola i ono ovisi o veličini faktora m. Faktor m Prij. faktor β Zakret faze m < 0,5 β < 0 80 o m = 0,5 β = 0 m > 0,5 β > 0 0 o Kad je faktor m > 0,5 izlazni i je napon dvostrukog T-četveropola č najmanji ji na karakterističnoj frekvenciji i zakret faze jednak je nuli. Takav četveropol uključuje se u krug negativne povratne veze priključuje se na invertirajući ulaz operacijskog pojačala.

11 Oscilator s dvostrukim T-četveropolom Samopobuda se ostvaruje preko frekvencijski neovisnog djelila napona koje je priključeno na neinvertirajuću priključnicu operacijskog pojačala. Na karakterističnoj frekvenciji četveropola mora pozitivna povratna veza biti veća od negativne povratne veze preko dvostrukog T-četveropola kako bi se omogućila samopobuda. Za sve ostale frekvencije, osim karakteristične frekvencije ω 0, negativna povratna veza mora nadvladati pozitivnu povratnu vezu i time onemogućiti samopobudu. R mr R m R 3 R 4 + -

12 Oscilator s premošćenim T-četveropolom Frekvencijska karakteristika napona ovog četveropola, pokazuje osobine karakteristike sa zapornim pojasom (band stop). Karakteristična frekvencija četveropola dobiva se ispunjavanjem uvjeta m 0 0, R što daje,. m U U,

13 Oscilator s premošćenim T-četveropolom 3 Na karakterističnoj frekvenciji prijenosni faktor β je realan, e m, i on je uvijek pozitivan zakret faze jednak je nuli. Četveropol p se priključuje j na invertirajući ulaz operacijskog pojačala kao frekvencijski ovisna negativna povratna veza.

14 Postupci kojima se poboljšava stabilnost t frekvencije oscilatora Sklopovi oscilatora stabilne frekvencije

15 Temeljni pojmovi 5 Oscilatori s promjenjivom frekvencijom, jednostavno, brzo i točno namještanje frekvencije točnost frekvencije, točnost frekvencije ovisi o preciznosti postupka namještanja frekvencije preciznost prikaza frekvencije pri namještanju kapaciteta kondenzatora ili napona kapacitivne diode koji određuje frekvenciju, sintezator frekvencije je rješenje dobre točnosti frekvencije kontinuirana promjena nadomještena je diskretnim promjenama frekvencije u po volji malim koracima znatno viša cijena od cijene oscilatora, jednom postavljena frekvencija titraja se ne mijenja tijekom rada oscilatora stabilnost frekvencije, održavanje frekvencije u nekim određenim granicama oko središnje vrijednosti. Frekvencija titraja mora biti što manje podložna promjenama zbog djelovanja vanjskih utjecaja kao što su: promjena napona napajanja, promjena temperature sastavnih dijelova oscilatora, promjena opterećenja oscilatora, mehanički utjecaji šokovi, ubrzanja, vibracije, promjene klimatskih uvjeta tlak, vlažnost,

16 Temeljni pojmovi 6 Oscilatori s čvrstom frekvencijom, namještena frekvencija titraja se ne mijenja tijekom rada oscilatora stabilnost frekvencije, uzroci nestabilnosti frekvencije jednaki su onima kod oscilatora s promjenjivom frekvencijom, i kod ove vrste oscilatora može se govoriti o točnosti namještanja frekvencije područje namjerne promjene frekvencije je vrlo usko. Tolerancija frekvencije titraja dopušteno odstupanje frekvencije titraja od nominalne vrijednosti (dopuštena nestabilnost).

17 Temeljni pojmovi 7 Tolerancija frekvencije oscilatora odnosi se na zajedničko djelovanje svih uzroka nestabilnosti u području njihovih vrijednosti u kojima je predviđen rad uređaja. U situacijama ij potrebe za visokom stabilnosti ti frekvencije propisuju se tolerancije frekvencije za svaki uzrok posebno. Tolerancija frekvencije po vremenu: kratkotrajna stabilnost, dugotrajna stabilnost. Za utvrđivanje tolerancije frekvencije prihvaćena su vremena: sekunda, sat, dan, mjesec, godina. Oscilator mijenja frekvenciju i zbog starenja svojih elemenata prilaže se dijagram starenja.

18 Parametri stabilnosti frekvencije 8 Stabilnost frekvencije označuje se apsolutnim iznosom odstupanja frekvencije titraja od nominalne vrijednosti, odnosno njihovim omjerom. Apsolutna stabilnost najveće odstupanje frekvencije, f, Hz. Relativna stabilnost omjer najvećeg odstupanja frekvencije i njezine nominalne vrijednosti, f f 0. Relativna stabilnost je parametar bez dimenzije (npr. 0-5 ). Ako se promjena frekvencije izrazi u Hz, a nominalna vrijednost frekvencije u MHz onda je dobivena relativna stabilnost izražena u jedinicama nazvanim ppm (parts per million), f, Hz, MHz f 0, ppm.

19 Parametri stabilnosti frekvencije 9 Temperaturni koeficijent frekvencije omjer promjene frekvencije i njezine nominalne vrijednosti pri promjeni temperature za o unutar područja promjene temperature od Y o do +Y o, f f f 0 T. Vrijeme zagrijavanja vrijeme od početka rada oscilatora potrebno da frekvencija uđe u granice svoje tolerancije (značajno za oscilatore smještene u termostat, jer najveće promjene frekvencije nastaju tijekom zagrijavanja termostata).

20 Parametri stabilnosti frekvencije 0 Primjeri tolerancije frekvencije: frekvencija VHF-FM-odašiljača, 000 Hz, frekvencija UHF-TV-odašiljača, 0-7, frekvencija mobilne postaje UHF privatne mreže, 0 ppm, frekvencija repetitorske postaje UHF privatne mreže, 5 ppm, frekvencija bazne postaje GSM900, 0,05 ppm.

21 Uzroci nestabilnosti frekvencije titraja Neželjene promjene frekvencije oscilatora, kao zajednice aktivnoga i pasivnog četveropola, nastaju zbog: promjena parametara pasivne mreže (promjene rezonantne frekvencije npr.), promjena parametara aktivnog četveropola (tranzistora, operacijskog pojačala, ), parametara (reaktancije) trošila. Stabilnost rezonantne frekvencije titrajnog kruga u pasivnoj mreži povratne veze najviše utječe na ukupnu stabilnost frekvencije oscilatora. Rezonantna frekvencija se mijenja zbog promjena induktiviteta svitaka i kapaciteta kondenzatora koje su posljedica promjene ponajviše temperature, a i ostalih uzroka (promjene: klimatskih stanja, geometrijskog oblika i položaja elemenata; starenja ).

22 Uzroci nestabilnosti frekvencije titraja Povišenje temperature svitka izaziva porast njegova induktiviteta. Temperaturni koeficijent svitka: L L L T, L 0. Temperaturna ovisnost kapaciteta kondenzatora očituje se u porastu ili smanjenju kapaciteta ovisno o građi kondenzatora. Temperaturni koeficijent kondenzatora: T, 0 Temperaturni koeficijent rezonantne frekvencije može se povezati s α L i α : f L. Porastom vlažnosti okoline smanjuje se dobrota titrajnog kruga zbog povećanja površinskog odvoda struje. ili 0.

23 Uzroci nestabilnosti frekvencije titraja 3 Parametri tranzistora t ili operacijskog pojačala č podložni su promjenama zbog nestalnosti pogonskog stanja oscilatora. Na promjenu parametara aktivnog četveropola utječu sljedeći vanjski činioci: promjena napona, promjena temperature, promjena klimatskih uvjeta, vlaga, tlak, mehanički utjecaji, šokovi i vibracije. Toplinski bijeg bipolarnog tranzistora može nastati uslijed porasta temperature porast temperature uzrokuje rast struje kolektora koja pak povisuje temperaturu spojišta. Proces je kumulativan. Unipolarni tranzistori nisu podložni o toplinskom o bijegu porastom o temperature raste njihov unutarnji otpor r d i pada im strmina g m.

24 Postupci stabiliziranja frekvencije 4 Osim pridržavanja općih smjernica za poboljšanje stabilnosti frekvencije titraja povoljniji se rezultati postižu posebnim sklopovima stabilne frekvencije nastalih primjenom: stabilizacije pomoću dodatnih otpora, stabilizacije pomoću dodatnih reaktancija, stabilizacije uz pomoć kristala (oscilatori s kristalom).

25 Stabilizacija pomoću dodatnog otpora 5 Postupak stabilizacije frekvencije pomoću dodatnog otpora temelji se na dodavanju jednog otpornika, u seriju s ulaznom priključnicom pojačala (povećava se ulazni otpor), u seriju s izlaznom priključnicom pojačala (povećava se izlazni otpor), u zajedničku priključnicu pojačala (povećavaju se i ulazni i izlazni otpor). Ovim se postupcima smanjuje pojačanje pojačala zbog negativne povratne veze na dodanom otporu valja voditi računa o ispunjenju uvjeta za samopobudu.

26 Stabilizacija pomoću dodatnog otpora 6 +U R Pr. v R S L 3 R R E U primjeru tranzistor je u ZB-spoju (mali ulazni i veliki izlazni otpor). Stabilizacijski otpor R S doprinosi povećanju ulaznog otpora kao i eventualno izostavljanje j 3.

27 Stabilizacija pomoću dodatnog otpora 7 R +U R G +U DD v R b 0 L R G R S b L R R S Kameleon oscilator osniva se na Hartleyevu oscilatoru. Stabilizacijski otpor R S dodaje se u krug slijeva odnosno emitera. Negativna povratna veza na R S povećava ulazni i izlazni otpor pojačala što je osnova stabiliziranja frekvencije. Zbog istodobnog smanjenja j pojačanja j treba koristiti jaku povratnu vezu radi ispunjavanja uvjeta samopobude odvojak je na sredini svitka L.

28 L-oscilatori stabilne frekvencije 8 3 L 3 L 3 Većim omjerom /L titrajnog kruga poboljšava se stabilnost frekvencije i smanjuje se utjecaj promjenjivih međuelektrodnih kapaciteta. Ukupni je kapacitet titrajnog kruga olpittsova oscilatora,.

29 L-oscilatori stabilne frekvencije 9 Zbog promjene međuelektrodnih kapaciteta ukupni se kapacitet u titrajnom krugu mijenja za Δ i uzrokuje promjenu rezonantne frekvencije titrajnog kruga za Δω 0, 0 0 L L L 0 Kako je,,, 0 Utjecaj promjena kapaciteta u titrajnom krugu bit će manji ako su velike vrijednosti kapaciteta i. Nakon dodavanja kapaciteta 3 postaje ukupni kapacitet u titrajnom krugu jednak, L. 3

30 L-oscilatori stabilne frekvencije 30 Ako se, kao i kod olpittsova oscilatora, kapacitet serijskog spoja i promijeni za Δ nastat će promjena ukupnog kapaciteta preinačenoga titrajnog kruga u iznosu, 0, , 0., 3 L 3 Praktično se odabiru vrijednosti kapaciteta 3 deset puta manjim od kapaciteta u titrajnom krugu ( 3 = /0). Kako je 0 / <, to znači da je uporabom 3 smanjena i relativna promjena frekvencije Δω 0 /ω 0.

31 L-oscilatori stabilne frekvencije 3 Gouriet-lappov oscilator izveden je iz U olpittsova oscilatora. Serijski spoj L i 3 mora biti induktivne reaktancije. R Pr. Odgovarajući nadomjesni induktivitet serijskog spoja je, L R 4 3 R E L, R E 3 L L L 3 L L 0 r r b'e ce L L ;, ; 0. r b' r b' e ce,

32 L-oscilatori stabilne frekvencije 3 L 3 rb'e rce L L Kako su i puno veći od 3 (ranije pokazano da su poželjni veliki kapaciteti) onda je rezonantna frekvencija titrajnog kruga, 0 0 L 3 odnosno, frekvencija titraja oscilatora približno je jednaka frekvenciji serijske rezonancije L i 3. Pomoću 3 jednostavno se mijenja j frekvencija Gouriet-lappova oscilatora. Stabilnost L-oscilatora u laboratorijskim uvjetima dosiže 0 4, ali je u eksploataciji manja. L 3,,

33 Stabilizacija frekvencije pomoću kristala 33 Primjenjuje j j se mehanička rezonancija. Mehanički vibracijski element potiče se na vibriranje elektroničkim sklopom. Za mehaničko titranje koristi se element s piezoelektričnim osobinama kristali prirodnog ili sintetičkog kvarca. Piezoelektrični efekt : ako se pločica kristala napregne na tlak ili na vlak pojavljuje se naboj na plohama okomitima na smjer djelovanja sile. Recipročni piezoelektrični efekt : smještavanjem kristala u električno polje on se deformira. Piezoelektrični element obavlja pretvorbu energije električne u mehaničku i obrnuto.

34 Stabilizacija frekvencije pomoću kristala 34 Kristal kvarca, doveden u izmjenično električno polje, počinje vibrirati s frekvencijom jednakom frekvenciji pobude. Amplituda mehaničkih vibracija odgovara amplitudi napona na pločicama između kojih je smješten kristal. Na većem broju pobudnih frekvencija raste amplituda vibracija pojavljuju se mehaničke rezonancije. Prirodna ili svojstvena frekvencija pločice kristala ovisi o fizikalnim osobinama materijala i geometrijskom obliku pločice. Na rezonantnoj frekvenciji nastaje pretvorba između energije električnog i energije mehaničkog stanja elastičnog tijela kristala s vrlo malom disipacijom u kristalu. Krivulja rezonancije je vrlo oštra (visoki Q) odgovara dobroti nadomjesnoga L-titrajnog kruga u iznosima, Q = Svojstvena frekvencija kristala znatno manje ovisi o uvjetima okoline negoli se može postići s elementima električnoga titrajnog sustava.

35 Stabilizacija frekvencije pomoću kristala 35 Stabilnost frekvencije oscilatora s kristalom, osim o kristalu ovisi i o ostalim parametrima sklopa, postižu se relativne stabilnosti: 0 5 (standardne izvedbe); 0 6 do 0 7 (temperaturno kompenzirani oscilatori); do 0 9 (posebne izvedbe sa oscilatorom u termostatu); do 0 (ostvareno je za potrebe mjerenja u vrhunskoj točnosti). Na slici je položaj pojedinih elemenata na kristalu kvarca.

36 Stabilizacija frekvencije pomoću kristala 36 Rez kristala je orijentacija pločice kristala s obzirom na kristalografske osi materijala, poznato je rezova kristala. Oni vibriraju na četiri načina: smicanje po debljini, Smicanje po debljini, Savijanje, AT-, BT-, S-rez XY-, H-, NT-rez savijanjem, istezanjem, smicanje po dijagonali. GT-rez najstariji, najveća Longitudinalno istezanje, stabilnost frekvencije, visoki Savijanje, J-rez X-, MT-rez proizvodni troškovi. Smicanje po dijagonali, T-, DT-rez AT-rez najviše je u upotrebi, dobra temperaturna karakteristika, teškoće u proizvodnji kristala dobrih osobina. XY-rez koristi se za elektroničke satove (upotrebljava se i NT-rez), frekvencija 3,768 khz.

37 Stabilizacija frekvencije pomoću kristala 37 Kristalna jedinica kristal u kučištu spreman za uporabu. Nadomjesna shema vrijedi u okolišu rezonantne frekvencije kristala. Četiri nadomjesna elementa L x, x, r x i 0 su neovisni o amplitudi i frekvenciji titraja. L x predočuje masu kristala, x predočuje elastičnost kristala, r x predočuje trenje u kristalu koje je uzrokom zagrijavanja pločice, 0 predočuje kapacitete pločica, dovoda i kučišta.

38 Stabilizacija frekvencije pomoću kristala 38 Tipične vrijednosti elemenata nadomjesne sheme Frekvencija 3 khz 00 khz MHz 30 MHz 50 MHz r x 00 kω kω 00 Ω 0 Ω 5 Ω L x 7000H 7H 59 mh mh mh x pf pf pf pf pf 0,7 pf 9 pf 4 pf 6 pf pf

39 Stabilizacija frekvencije pomoću kristala 39 +x xe 0 f s f p f x xe Pretpostavljajući da je r x = 0, prema nadomjesnoj shemi impedancija kristala je, Z x = ( - L ) x x ( ). j 3 L + x x 0 - x 0

40 40 Stabilizacija frekvencije pomoću kristala Serijska rezonancija nastaje kad je impedancija Z x = 0, odnosno kad je ω L x x = 0, što daje,. x x s L f U ij k j iji i d ij k i t l d č j li t U serijskoj rezonanciji impedancija kristala predočena je malim otporom r x. Frekvencija paralelne rezonancije viša je od serijske rezonancije,. 0 x s 0 x x p f L f F k ij l l ij j l iš d f k ij Frekvencija paralelne rezonancije samo je malo viša od frekvencije serijske rezonancije (one se obično razlikuju za manje od 0,%). Kad se uzme u obzir i otpor r x postaje impedancija kristala prema p x p j p j p nadomjesnoj shemi jednaka,. j j x x x x x r r L Z. j j j xe xe 0 x 0 x x 3 0 x x x x r L r Z

41 Stabilizacija frekvencije pomoću kristala 4 Kristalna jedinica koristi se kao dvopol u sklopovima oscilatora u: «serijskom radu» na frekvenciji serijske rezonancije kad je x xe = 0, a impedancija kristala predočena vrlo malim otporom r xe = r x, «paralelnom radu» u području frekvencija između serijske i paralelne rezonancije kad je x xe >0, tj. kristal je induktivne reaktancije. Kristal se može pobuditi na titranje i na neparnim harmonicima osnovne rezonantne frekvencije (3.; 5.; 7.; 9.; harmonik) služi za dobivanje titraja viših frekvencija (za frekvencije od oko 30 MHz i više kad bi pločica kristala bila jako tanka). Na harmonicima jako visokog reda mala je amplituda mehaničkih titraja. Kristale namijenjene za uporabu na osnovnoj frekvenciji nije prikladno koristiti za vibriranje na višim harmonicima. Posebni su tehnološki postupci proizvodnje kristala za vibriranje na pojedinome višem harmoniku. Veća se stabilnost frekvencije može očekivati u serijskom radu, jer odgovarajuća frekvencija serijske rezonancije ovisi samo o parametrima kristala. Paralelna rezonancija ovisi i o 0 koji povećava nestabilnost frekvencije.

42 Stabilizacija frekvencije pomoću kristala 4 Radi smanjenja utjecaja 0 na frekvenciju titraja koristi se kapacitivno opterećenje kristala d. Paralelno dodani d ima učinak povećanja 0 (snižava se f p ), ali se smanjuje relativni utjecaj promjenjivih i rasipnih kapaciteta. Kapacitivno se opterećenje može dodati i u seriju s kristalom pa je tad ukupna reaktancija jednaka x xe + X d. +x xe Vrijednosti kapacitivnog opterećenja +x xe kristala su normirane i iznose: d = 0; 30; (40); 50 i 00 pf. 0 f s f p f x xe

43 Stabilizacija frekvencije pomoću kristala 43 Pojava vučenja ili navlačenja frekvencije kristala: razlika frekvencija paralelne i serijske rezonancije f p f s ovisi o kapacitetima kristala x i 0, ta se razlika može mijenjati uz pomoć kristalu dodane reaktancije, paralelno dodanom reaktancijom mijenja se frekvencija paralelne rezonancije, serijski dodanom reaktancijom mijenja se frekvencija serijske rezonancije. Nužno je predvidjeti mogućnost vučenja frekvencije kristala radi kompenziranja promjena nastalih starenjem. Prednost se daje serijski dodanom reaktancijom, jer ona ne utječe na dobrotu kristala. Vučenjem frekvencije serijski dodanim kapacitetom npr. može se jako malo mijenjati frekvencija kristala, jer je. x s

44 Sklopovi oscilatora s kristalom 44 Po načinu upotrebe kristalne jedinice razlikuju se dvije skupine oscilatora s kristalom: A. Kristal je sastavni dio titrajnog kruga, on određuje frekvenciju titraja, titraji nisu mogući bez ki kristala, I. kristal je u «paralelnom radu» i on nadomješta induktivnu reaktanciju u okviru titrajnog kruga oscilatora, II. kristal je u «serijskom radu» i on nadomješta serijski titrajni krug (u krugu povratne veze). B. Kristal nadzire frekvenciju L-oscilatora, titraji se mogu uspostaviti i održavati i bez kristala, III. kristal je u «serijskom radu» i on predstavlja frekvencijski selektivni «kratki spoj», tj. uvjet samopobude ispunjen je samo na frekvenciji serijske rezonancije kristala, IV. kristal u «paralelnom radu»» se jako rijetko koristi u ovoj funkciji.

45 Sklopovi oscilatora s kristalom 45 a R K b +U DD S b V R G R S Pierceov oscilator dobiva se stavljanjem kristala na mjesto svitka u titrajnom krugu olpittsova oscilatora Pierceov oscilator pripada skupini A.I. s u sklopu na slici služi za vučenje frekvencije oscilatora.

46 Sklopovi oscilatora s kristalom 46 Bipolarni se tranzistor nalazi u spoju Z. Nadomjesti li se emiterski otpornik R E odgovarajućom prigušnicom L E valja povećati R da se postigne željeni položaj radne točke. Reaktancija te prigušnice mora biti X E R E. Oscilator s BJT prikladan je za rad na višim harmonicima uvjet samopobude ispunjava se tad na frekvenciji harmonika, a ne na osnovnoj frekvenciji. Uvjet X E R E mora biti ispunjen na tom harmoniku. (Napomena: L E i nisu u rezonanciji!)

47 Sklopovi oscilatora s kristalom 47 Modificirani Pierceov oscilator visoke je stabilnosti frekvencije. Dodavanjem otpora R 3 u seriju s pi-četveropolom č oblikuju se dva sloga: R 3 i K kojima se zajedno mogu postići i zakreti faze različiti od 80 o, akojis su potrebni kad pojačalo ne zakreće fazu signala točno za 80 o. Primjer: Za samopobudu potrebni zakret faze daju slogovi R 3 (npr. 74 o ), K (05 o ) te pojačalo (8 o ). Potrebno je veće pojačanje pojačala.

48 Sklopovi oscilatora s kristalom 48 Millerov oscilator dobiva se stavljanjem kristala na mjesto jednog svitka u titrajnom krugu Hartleyeva oscilatora Millerov oscilator pripada skupini A.I. Rezonantnu frekvenciju L-kruga treba podesiti na frekvenciju višu od radne frekvencije oscilatora L-krug k je induktivne reaktancije. Bez kapaciteta signal je izobličen i manje je amplitude. Nestabilnost frekvencije potječe od učinka ulaznog (Millerovog) kapaciteta, koji ovisi i o pojačanju. č j L L K R G R S S b U DD

49 Sklopovi oscilatora s kristalom 49 Međuelektrodni kapacitet bc suži za ostvarenje povratne veze.

50 Sklopovi oscilatora s kristalom 50 K + R IIA u iz R IA Kod oscilatora iz skupine A.II. kristal je u grani povratne veze. Poželjno je da glavnina izlaznog napona bude na kristalu, a manji dio na izlaznome i na ulaznom otporu pojačala. Napon na ulaznom otporu mora biti dovoljan za pobudu pojačala. Odabire se pojačalo maloga ulaznog i maloga izlaznog otpora mali otpori pojačala ne smanjuju dobrotu kristala i njegove stabilizirajuće osobine.

51 Sklopovi oscilatora s kristalom 5 Heegnerov oscilator nastaje vezanjem dvostupanjskog pojačala, ukupnog zakreta faze od 360 o, u zatvorenu zamku Heegnerov oscilator pripada skupini A.II. Frekvencija titraja odgovara frekvenciji serijske rezonancije kristala, jer tad je najveće pojačanje dvostupanjskog pojačala. Ako se širokopojasna (aperiodska) pojačala nadomjeste selektivnim pojačalima usklađenima na frekvenciju neparnog harmonika f s, tad će kristal biti pobuđen na toj frekvenciji. K

52 Sklopovi oscilatora s kristalom 5 Buttlerov oscilator također pripada skupini A.II. Stupanj pojačala s tranzistorom T može se izvesti i kao aperiodsko pojačalo postiže se veća stabilnost frekvencije titraja. T radi u ZB-spoju, dok je T u Z-spoju kristal je s obje strane zaključen malim otporima. Nedostatak sklopa je u U malom pojačanju pa on može raditi samo s R L R R 3 v kristalima visoke dobrote Q. Kristal se može pobuditi na višim harmonicima i uporabom selektivnog pojačala s T (titrajni krug u kolektoru). R T T K D R E R E R 4

53 Sklopovi oscilatora s kristalom 53 U b R D v R 3 T T K R S R E R 4 U Buttlerovom oscilatoru za niske frekvencije bolje je uzeti FET za T. Potrebni mali ulazni otpor daje FET veće strmine.

54 Sklopovi oscilatora s kristalom 54 Oscilatori iz skupine B.III. nastaju kad se već postojećem L-oscilatoru prekine grana povratne veze i na to se mjesto ugradi kristal. L-oscilator mora biti projektiran za titranje na frekvenciji koja je jednaka frekvenciji serijske rezonancije kristala. Kristalna jedinica djeluje kao U DD uskopojasni filtar. L Faktor dobrote titrajnog kruga ne smije biti prevelik. Na niskim frekvencijama poteškoće može izazvati veliki otpor kristala r x K potrebno je veliko pojačanje. R G R S

55 Sklopovi oscilatora s kristalom 55 Na visokim frekvencijama kristal više ne stabilizira frekvenciju, povratna se veza zatvara preko 0 koji je tad male impedancije, dodatnim svitkom L k kompenzira se kapacitivna reaktancija od 0 (L k i 0 su u paralelnoj rezonanciji ili bar blizu nje velika je impedancija paralelnog spoja L k i 0 ).

56 Još nekoliko pojmova 56 Naponom upravljani oscilator s kristalom (VXO, Voltage ontrolled rystal Oscillator) frekvencijom oscilatora upravlja se pomoću napona koji se privodi odgovarajućoj priključnici. Uobičajeno je upravljanje od 35 do 50 ppm/v, a za veće vrijednosti treba smanjiti Q kristala. Temperaturno kompenzirani oscilator s kristalom (TXO, Temperature ompensated rystal Oscillator) sastoji se od jednog VXO i jedne termistorske mreže ili digitalnog sustava za ispravljanje promjena frekvencije nastalih pod utjecajem temperature. Oscilator s kristalom u termostatu (OXO, Oven ontrolled rystal Oscillator) zahvaljuje visoku stabilnost frekvencije titranja zbog držanja sklopa na stalnoj povišenoj temperaturi. MXO (Microcomputer ompensated rystal Oscillator) i DXO (Digitally ompensated rystal Oscillator) koriste digitalne postupke kompenzacije temperaturnih promjena frekvencije.

57 Oscilatori s digitalnim sklopom

58 Zašto digitalni sklop? 58 U sklopovima oscilatora, umjesto diskretnih aktivnih elemenata, koriste se i integrirani sklopovi. Analogni integrirani sklopovi, kontinuirana promjena ulazne veličine izaziva kontinuiranu promjenu izlazne veličine, linearni integrirani sklopovi, operacijsko pojačalo uspješno se upotrebljava za R-oscilatore. Digitalni integrirani sklopovi, kontinuirana promjena ulazne veličine uzrokuje diskretnu promjenu izlazne veličine, javljaju j j se samo dvije vrijednosti izlazne veličine, na raspolaganju su logički sklopovi, vrata raznih vrsta. U elektroničkim uređajima digitalnih sustava (računala, mikroprocesori, mjerni instrumenti, digitalni komunikacijski sustavi) koriste se oscilatori kao: generatori takta, digitalni satovi, Zbog različitih pogonskih napona i ulazno-izlaznih otpora primjena oscilatora s diskretnim tranzistorima zahtijevala bi međusklop između oscilatora i mreže digitalnih jedinica. Digitalni (logički) sklop može poslužiti u sklopu oscilatora ako može osigurati pojačanje signala pojačanje zamke povratne veze mora biti nešto veće od jedan u trenutku ukapčanja oscilatora.

59 Primjer logičkog sklopa MOS-invertora 59 +U DD G S D p-mos Ulaz: U Izlaz: U U G S D n-mos L (0) H () U H () L (0) Kad je U niske razine (L-razina): p-kanalni tranzistor T je uključen i malog je otpora između izvora napajanja i izlaza; napon između G is približno je jednak UU DD, n-kanalni tranzistor T je u zapornom stanju; veliki je otpor između D i S. Uz veliki otpor tranzistora T i mali otpor tranzistora T napon U na izlazu je visoke razine (H-razina).

60 Primjer logičkog sklopa MOS-invertora 60 +U DD G S Ulaz: D p-mos U Izlaz: U D U G S n-mos U L (0) H () H () L (0) Kad je U visoke razine (H-razina): p-kanalni tranzistor T je u zapornom stanju; veliki je otpor između između izvora napajanja i izlaza, n-kanalni tranzistor T je uključen; mali je otpor između D i S. Uz veliki otpor tranzistora T i mali otpor tranzistora T napon U na izlazu je niske razine (L-razina).

61 Primjer logičkog sklopa MOS-invertora 6 Statička disipacija MOS-invertora je zanemarivo mala u oba logička stanja jedan od tranzistora t je zaporan. U dinamičkim ički uvjetima disipirana i i snaga raste s frekvencijom. Sve logičke sklopove obilježava: veliki ulazni otpor, mali izlazni otpor. Namještanje radne točke Kad se digitalni sklop nalazi u jednom od dva stabilna stanja njegovo je pojačanje jednako nuli, konačnu vrijednost pojačanja može se očekivati u intervalu prijelaza iz jednoga binarnog stanja u drugo, radnu točku digitalnog sklopa treba smjestiti u područje između dva stabilna stanja tad se digitalni sklop vlada kao linearno pojačalo.

62 Primjer logičkog sklopa MOS-invertora 6 Veliki otpor R veže se između ulaza izlaza MOS-invertora. Zbog velikoga ulaznog otpora invertora struja gata je zanemarive razine, nema pada napona na otporniku R U DD U U, radna je točka smještena u područje velike strmine prijenosne karakteristike invertora veliko je pojačanje invertora (uobičajeno je pojačanje napona nekoliko stotina).

63 Primjer logičkog sklopa MOS-invertora 63 +U DD G S R D U G D U S R mora biti mali u odnosu na ulazni otpor MOS-invertora R IA,, R mora biti dovoljno velik da ne opterećuje pasivni četveropol oscilatora da nebi utjecao na amplitudu i frekvenciju (dobrotu Q) oscilatora.

64 Digitalni sklopovi za oscilatore 64 Osim invertora (NE-sklop) za oscilatore se mogu koristiti i drugi logički sklopovi, npr. NILI- ili NI-sklop, s tim da im se povežu dvije ulazne priključnice. Za oscilatore su prikladni: emiterski-spregnuti sklopovi (EL, Emitter-oupled Logic) za više frekvencije ili, unipolarni MOS logički sklopovi (ili BiMOS) za niže frekvencije. Tradicionalno korišteni simboli Simboli prema IE I sklop NILI sklop NE sklop

65 Sklopovi oscilatora s kristalom 65 Prema načinu upotrebe kristala dvije su skupine oscilatora i u obje je kristal sastavni dio titrajnog kruga i on određuje frekvenciju titraja (sklopovi iz skupine A.), u «serijskom radu» kristal nadomještava serijski titrajni krug u krugu povratne veze (sklopovi iz skupine A.II.), u «paralelnom radu» kristal nadomještava induktivnu reaktanciju u titrajnom krugu (sklopovi iz skupine A.I.).

66 Sklopovi sa serijskim radom kristala 66 K + R IIA R 0 u o Kod oscilatora sa serijskim radom kristala otpori R 0 i R IIA moraju biti mali u odnosu na r x kristala kristal tad ima dominantni utjecaj na frekvenciju titraja dobrota Q kristala ostaje velika. Da li ima kakvog utjecaja pobuda kristala pravokutnim naponom? U serijskoj rezonanciji kristal je realne i male impedancije r x. U krugu teče sinusna struja frekvencije f s ako repeticija pobudnoga pravokutnog napona odgovara f s. Nema zakreta faze između sinusne struje i pobudnoga pravokutnog napona. Sinusni napon na R 0 u fazi je s pobudnim naponom u oscilatoru sa serijski vezanim kristalom nema zakreta faze na kristalu.

67 Sklopovi sa serijskim radom kristala 67 K R 0 R R U sklopu oscilatora koriste se dva invertora radi postizanja zakreta faze od 360 o. Namještanjem radne točke prvog invertora uz pomoć malog otpora R 0 i velikog otpora R, kojima je spojište dinamički uzemljeno ( ), smanjuje se utjecaj sklopa na dobrotu kristala i stabilnost frekvencije. U nekima praktičnim sklopovima izostavljaju se R 0 i usprkos nastaloga nepovoljnog učinka. U prikazanom primjeru koristi se odvojni stupanj s trećim invertorom radi uklanjanja utjecaja trošila na rad sklopa.

68 Sklopovi sa serijskim radom kristala 68 K R 0 R R k L k Kad se želi da kristal vibrira na nekome višem harmoniku treba onemogućiti titranje na osnovnoj frekvenciji. To se postiže smanjenjem pojačanja u zamci povratne veze na osnovnoj frekvenciji. Rezonancija paralelnog spoja L k i k postavlja se na frekvenciju višu od osnovne rezonantne frekvencije kristala, obično negdje između osnovne frekvencije i frekvencije željenog harmonika. Kristal onda neće moći biti pobuđen na neželjeni način vibriranja, jer je odgovarajući električni signal kratko spojen preko L k k spoja.

69 Pierceov oscilator 69 Pierceovim se oscilatorom naziva i inačica koja koristi digitalni sklop i kristal u paralelnom radu. Protivno serijskom radu, paralelni rad kristala zahtijeva opterećenje kristala velikim otporom ulazni i izlazni otpor pojačala moraju biti veliki. Dodatni otpornik R povećava opteretni otpor kristala s izlazne strane pojačala mali je izlazni otpor invertora.

70 Pierceov oscilator 70 Otpornik R za namještanje radne točke velike je otporne vrijednosti (reda veličine MΩ) pajezaizmjenični signal povratna veza preko R zanemarivo mala. Stabilnost frekvencije titraja ovisi o faznoj strmini pasivnog četveropola kad bi nadomjesni otpor kristala r xe 0 (Q xe ) dobila bi se okomita fazna karakteristika frekvencija oscilatora bi ostala stalna i pri promjeni faze u zamci povratne veze. Koristimo se Barkhausenovim uvjetom samopobude olpittsova oscilatora uz, Z j X, Z j X, Z 3 r xe j x xe, R K R

71 Pierceov oscilator 7 R K R Na temelju nadomjesne sheme izlazi pojačanje u zamci povratne veze, A R II j X j X A rxe j x X X 0 xe j r xe x X xe.

72 Pierceov oscilator 7 Zakret faze signala nakon prolaza kroz zamku povratne veze mora biti jednak nuli, tj. m A što daje, R II 0. x xe X X X X r X xe 0. Odavde d se izračuna č nadomjesna induktivna reaktancija kristalne jedinice i x xe i izjednači s normiranim kapacitivnim opterećenjem X d, x xe d X 0; X 30; r xe RII (3); 50; X d 00 pf.,

73 Pierceov oscilator 73 Za oscilatore u elektroničkim satovima preporučuje se kapacitivno opterećenje kristala u iznosu od d = 0 ili 0 pf. Primjer: Podaci za 3-kHz kristal: f 0 = 3,768 khz; d = 0 pf; r x = 40 kω; 0 = 85pF;,85 0 / x = 580; Q = Iz uvjeta e A, izlazi, A r xe R II A X X X x 0 xe X Za samopobudu pri uključivanju oscilatora potrebno je minimalno pojačanje u iznosu, A 0min r xe R II X X X xxe X..

74 Pierceov oscilator 74 Malo gušenje pi-četveropola dobiva se uz jednake vrijednosti kapaciteta, = = d. MOS-sklopovi ograničene su strujne izdašnosti, postoje problemi pri radu na jako niskim frekvencijama zbog velikog r x kristala, potrebno je paralelno spojiti više MOS-invertora radi postizanja potrebne izdašnosti struje. Na višim frekvencijama pojačalo ne zakreće više fazu u idealnom iznosu od 80 o. Prolaskom signala kroz invertor dolazi do njegova kašnjenja, za iznos t p, a to je uzrokom dodatnog zakreta faze za iznos φ A: A f0 tp, gdje je f 0 radna frekvencija oscilatora. Primjer : Na radnoj frekvenciji oscilatora od 4 MHz kašnjenje od samo 0 ns uzrokuje dodatni zakret faze od 4,4 o.

75 Pierceov oscilator 75 Ukupni zakret faze u zamci mora ostati 360 o, a on se mora dobiti kad se zakretu faze pojačala dodaju oni od R -sloga i K -sloga. Zbog velikoga dodatnog zakreta faze, zbog kašnjenja u invertoru, otpor R u sklopu oscilatora nadomještava se kapacitetom 3. Veličina 3 odabire se obično u iznosu polovice jednakih kapaciteta i, 3,. 3 d R R K R K 3

76 Pierceov oscilator 76 Oscilatori s digitalnim sklopom lošije su stabilnosti od odgovarajućih sklopova s diskretnim tranzistorom. Stabilnost frekvencije može se poboljšati uporabom velikih vrijednosti kapaciteta i kojima se smanjuje relativni utjecaj promjena impedancija invertora pri promjenama temperature i napona napajanja. Mali kapacitet s u seriju s kristalom dodatno izolira kristal od ostatka sklopa.

77 Pierceov oscilator 77 Pri radu kristala na višim harmonicima treba smanjiti pojačanje u zamci povratne veze na osnovnoj frekvenciji. Paralelna rezonancija spoja L a i postavlja se na frekvenciju koja je nešto niža od frekvencije željenog harmonika vibriranja kristala. Pravilnim izborom kapaciteta 3 dodatno se potiskuje titranje na osnovnoj frekvenciji kristala. Sklop može poslužiti za pobudu na trećem harmoniku (od 0 75 MHz) i na petom harmoniku (od 50 5 MHz). R K 3 L a