Sähköinen oskillaattori on piiri, jonka tehtävänä on tuottaa jaksollisen sähköisen signaalin , on sinimuotoinen , neliö , saha, tai mitä tahansa muoto . Oskillaattorilla voi olla kiinteä tai vaihteleva taajuus . Elektronisia oskillaattoreita on useita; tärkeimmät ovat:
Odotamme useimmin oskillaattorilta: joko sen värähtelyjen taajuusstabiilisuutta tai signaalivaipan vakautta. Siksi oskillaattorit luokitellaan kahteen tyyppiin: harmoniset oskillaattorit, jotka tuottavat sinimuotoisen signaalin, ja rentoutumisoskillaattorit, joita käytetään pikemminkin ajan tai prosessien ajoitukseen.
Värähtelyjä voidaan luoda hyödyntämällä tiettyjä fyysisiä vaikutuksia, kuten käsittelemällä sähköisiä impulsseja Gunn-diodilla , jonka ominaisuuksilla on negatiivinen näennäinen vastus. Siten on mahdollista saada hyvin yksinkertaisia signaaleja.
Oskillaattori voidaan tehdä kytkemällä vahvistin on kalibroitu oikein palautteen silmukka . Kun otetaan huomioon värähtelyn asettamisen olosuhteet, jotka Barkhausenin vakauden kriteeri antaa, tiettyyn taajuussilmukkaan kytketty vahvistin tuottaa jatkuvan värähtelysignaalin. Nämä olosuhteet kiehuvat tähän:
Teorian mukaan palautteen voitto, joka ylittäisi yhden vain pienellä tavalla, merkitsisi värähtelyjen amplitudin rajoittamatonta kasvua; Kuitenkin, jotta piiri alkaa spontaanisti värähtelemään, vahvistuksen on oltava suurempi kuin 1 käynnistyksen yhteydessä (katso vastakkaista kuvaajaa). Tämä ristiriita on johtanut piirien käyttäytymisen määrittämiseen, kun ne alkavat värähtelyyn (tai lopettaa värähtelyn) piirtämällä niiden ominaiskäyrät. Kaksi ilmiötä näyttää sanelevan värähtelevien piirien fyysisen käyttäytymisen:
Todellisuudessa värähtelyjen amplitudia rajoittaa kuitenkin ilmeisesti piirilähteen teho.
Palauteoskillaattorit koostuvat vahvistimesta ja passiivisesta dipolista, joiden vaste on taajuudesta riippuvainen. Vahvistimen lähtö toimittaa dipolin, ja itse dipolin lähtö on kytketty tulona vahvistimeen (takaisinkytkentäsilmukka). Värähtelyjen alkuperän ymmärtämiseksi voimme jättää huomioimatta palautteen: Piirin sijaan saadaan kahden dipolin yhdistys tulon (E) ja lähdön (A) kanssa. Jotta suljettu piiri kehittäisi värähtelyjä, lähtösignaalin (φ3) vaiheen on oltava sama kuin tulosignaalin that1 (vaihetila).
Kun vahvistin luo vaihesiirron 180 ° ja sen vaste on hetkellinen (nolla viive tai viive), passiivisen dipolin on luotava ainakin yhdelle taajuudelle 180 °: n täydentävä vaihesiirto niin, että lähtösignaali on vaiheessa ( 360 ° = 0 °) tulosignaalilla. Dipolin vaihesiirron vaihtelu tulotaajuudella on esitetty vaihekaaviona.
Vaihesiirtooskillaattoreissa dipolilla on (vähintään) kolme RC-vaihetta sarjassa (ylipäästö- tai alipäästösuodatin). Jos jokainen näistä vaiheista luo 60 ° vaihesiirron, riittää, että sinulla on kolme niistä 180 °: n kokonaisvaiheen tuottamiseksi. Kun vahvistin ei ole kylläinen, lähtöjännite on sinimuotoinen.
Vuotovirran värähtelypiiri voidaan valmistaa komponentista, jolla on negatiivinen differentiaalivastus: esimerkiksi tunnelidiodi tai lambda-diodi , kun ne ovat innoissaan, antavat vaihtojännitteen. Edellytys on, että piirin vastus on nolla.Virtalähde on generaattori tai akku.
Muille oskillaattoritopologioille, jotka perustuvat esimerkiksi negatiivisen kaltevuuden ominaishaaraan, kuten rentoutumisoskillaattoriin, vakauskriteeri ei koske.
Oskillaattorin laatu arvioidaan yleensä sen vakauden mukaan amplitudissa , taajuudessa ja vaiheessa . Kun värähtelyjä ei voida määrittää tilastollisesti, puhutaan " taustamelusta ". Ainoa todella riippumaton kriteeri on vaihteluiden taso ( “jitter” -ilmiö ), joka luonnehtii superheterodyni-vastaanottimen herkkyyttä, joka on sijoitettu voimakkaan lähteen lähelle. Stabiilisuus suhteessa vaihtelut lämpötilan ja syöttöjännitteen on myös monia ja erilaisia oskillaattorit reagoivat varaible tavalla: taajuus oskillaattorit NAND ja rentoutumista oskillaattorit, esimerkiksi, riippuu suurelta vakaus syöttövirran; kun taas LC-piireissä vaikutus on vähäinen, jopa merkityksetön kideoskillaattoreille.
Mittalaitteiden toinen olennainen kriteeri on luonnollisesti niiden tarkkuus, joka riippuu kirjekuoren vakaudesta . Tapauksessa harmoninen oskillaattorit , voidaan ymmärtää, että särökerroin . Olennainen tämän tyyppiselle oskillaattorille, tämä parametri on merkityksellinen monille muille signaalimuodoille.
Moduloimattomia oskillaattoreita käytetään tietokoneen prosessoreiden tai kvartsikellojen kellottamiseen .
Moduloiduilla oskillaattoreilla ylläpidetään tarkkoja rajoja, joskus amplitudi, taajuus tai vaihe tiettyjen piirien ansiosta. Siten on mahdollista lähettää tietoa moduloimalla signaalia . Esimerkiksi :
On resonoiva oskillaattorin , taajuus signaalin määritettiin LC-piiri , joka on kvartsi tai keraaminen . Resonanssioskillaattori antaa vakaan taajuuden sinoidaalisen signaalin . Näiden harmonisten oskillaattoreiden pääasiallinen käyttöalue on radiotekniikka.
Useat kokoonpanot mahdollistavat harmonisen oskillaattorin muodostamisen:
Magnetroni myös kuuluu tähän ryhmään, vaikka se on ensisijaisesti viive silmukan oskillaattorin.
On varmistettava, että resonaattorilla on riittävän korkea laatutekijä , jotta saadun signaalin kaistanleveyttä rajoittaa resonanssitaajuuden läheisyys: tämä vähentää lähtösignaalin yliaaltojen määrää , kun vahvistusvaihe, esimerkiksi transistori, on kyllästetty ja lähettää useita harmonisia yliaaltoja. Resonanssioskillaattorit (toisin kuin Wienin siltaoskillaattorit ) antavat lähes sinimuotoisen verhokäyräsignaalin, jopa ilman amplitudivakautusta.
In viive silmukka oskillaattorit , se on pulssien kesto on eri haarojen piiri, joka määrittää ajan (ja siten taajuus) lähtösignaalin. Rako generaattori , jossa on CSS taajuusmuuttajien, on hyvä esimerkki; mutta silti voidaan luokitella tähän luokkaan sellaiset oskillaattorit, kuten "refleksi- klystroni " tai Gunn-diodilla varustettu oskillaattori, vaikka molemmat sisältävät värähtelevän piirin. In vaihesiirto oskillaattorit , signaalin keston määrittää RC vaiheessa. Viiveoskillaattoreiden toimialue on osittain päällekkäinen rentoutumisoskillaattoreiden kanssa, koska jälkimmäisen tyyppinen RC-vaihe, joka määrittää niiden lähtötaajuuden, voi toimia myös viivepiirinä.
Niiden taajuusstabiilisuus on keskitasoa.
Rentoutuminen oskillaattori on LC-piirin . Se ei myöskään ole värähtelevä piiri ahtaassa merkityksessä, koska se ei tuota sinimuotoista signaalia. Sen lähtötaajuus määräytyy kondensaattorin purkautumisesta RC-vaiheen kautta. Kun jännite kondensaattorin yli saavuttaa tietyn kynnyksen, lähtöjännite muuttuu (se vaihtuu) ja kondensaattori latautuu. Yleisimmät tämäntyyppiset piirit ovat astable multivibrator- ja LC-piirit. Virittämällä nämä piirit tarkasti voimme tuottaa neliö- tai kolmion muotoisia signaaleja . Koska RC-vaiheen laadun lisäksi eri komponenttien värähtelyjännite määrää lähtösignaalin vakauden, rentoutumisoskillaattorit ovat tunnetusti vähemmän vakaita kuin resonanssioskillaattorit, ja ne eivät sovellu radiotekniikkaan. Toisaalta tätä pientä epävakautta hyödynnetään elektronisten sireenien tai jännitetaajuusmuuttajien valmistamiseksi metrologiassa .
Moderni oskillaattorit haluavat välttää haitat tavanomaisia piirejä alussa XX : nnen luvun (kuten Meissner oskillaattori , Hartley-oskillaattorin tai oskillaattorin Colpitts ), jotka voivat, kun jotkut komponentit ovat epätarkasti säädetään, tuottaa loistaudit heilahtelut muutamaan GHz: iin, on taipumus vaimentaa matalilla taajuuksilla tai tuottaa vääristyneen kirjekuoren lähtösignaalin.
Yksi tapa tehdä tämä on käyttää differentiaaliparia, jossa on kaksi transistoria . Alla olevissa kuvissa on esitetty NPN-transistoreilla varustettu muunnos, joka mahdollistaa (passiivisten piirien ominaisuuksista riippumatta ja ilman muiden komponenttien lisäämistä) taajuuden saamisen välillä 50 kHz - 40 MHz . Toinen piiri käyttää PNP-transistoreita ja antaa taajuuksia välillä 1 Hz - 500 kHz . Tässä oskillaattorissa oskillaattoripiiri on nollajännitteen alla, mikä on etu (negatiivinen napa on yleensä kaikkien mittausten vertailupiste).
Tämän tyyppisen oskillaattorin spektrin laatu on sitä parempi, koska palaute on heikkoa (ts. Vain riittävä värähtelyjen aloittamiseksi). Differentiaalivahvistimilla amplitudikylläisyys on progressiivisempi kuin passiivisilla värähtelypiireillä: tämä rajoittaa harmonisten yliaaltoja.