Sinusové LC oscilátory a oscilátory řízené krystalem - Stanley

Sinusové LC oscilátory a oscilátory řízené krystalem
Obecně jsou oscilátory všechna zařízení, která vytvářejí periodicky proměnné průběhy fyzikálních
veličin. V našem případě se budeme zabývat oscilátory, vyrábějícími napětí sinusového průběhu.
Nejprve se budeme zabývat oscilátory LC. Tyto oscilátory jsou obecně určeny pro výrobu vysokofrekvenčních
signálů. Po zavedení elektrické energie do obvodu LC se tento obvod rozkmitá na svém
rezonančním kmitočtu. Pokud by byly součástky ideální, pak by tyto kmity byly netlumené a kondenzátor
s cívkou by si do neustále předávaly svou energii. Protože se však jedná o reálné součástky
L a C, které vykazují určité ztráty, kmitají kmity tlumenými.
¡¢£¤¥¦§
©
Obr. 1. Paralelní rezonanční obvod, tlumené kmity, netlumené kmity
K udržení oscilací je proto zapotřebí zajistit stálou dodávku energie, která bude kmity udržovat.
K tomu slouží aktivní součástka připojená k obvodu LC. Podle typu aktivní součástky a způsobu
zapojení rozlišujeme dvoupólové oscilátory využívající prvku se záporným diferenciálním odporem a
zpětnovazební oscilátory.
U dvoupólových oscilátorů využíváme součástek se záporným diferenciálním odporem – tunelová dioda,
tetroda, apod. Každý obvod LC můžeme charakterizovat rezonančním kmitočtem f0 a činitelem jakosti
Q = ω0L/Rs = Rp/ω0L. Tento činitel udává, jak rychle doznívají vlastní kmity obvodu po vybuzení
vhodným impulsem. Připojíme-li k takovému obvodu aktivní součástku se záporným diferenciálním
odporem, bude se jím kompenzovat ztrátový odpor obvodu LC a tím se bude zvětšovat jeho činitel
jakosti. Výsledný reálný odpor může být dokonce záporný, pak bude činitel Q rovněž záporný a
amplituda kmitů bude stoupat. Nebude se tak však dít do nekonečna, neboť součástky vykazující
záporný diferenciální odpor ho vykazují pouze v určité pracovní oblasti.
¡¢£
¥¦§¨Obr. 2. Oscilátor s tunelovou diodou
V případě zpětnovazebních oscilátorů jsou ztráty obvodu LC hrazeny prostřednictvím zesilovače s kladnou
zpětnou vazbou.
1

¡¢£
¥¦§¨Obr. 3. Zesilovač se zpětnou vazbou
Zpětnovazební oscilátor bude oscilovat pouze za určitých podmínek a těmi jsou
βA = 1
∈
což je tzv. amplitudová podmínka oscilací, a
ϕβA = 2kπ, k
což je tzv. fázová podmínka oscilací
Jako příklad zpětnovazebního oscilátoru zde uvedeme Meisnerovo zapojení.
¡¢£
¥¦§¨
4. Meisnerův oscilátor se společným emitorem
Obr.
Zpětnovazební člen β je tvořen laděným obvodem LcC v kolektoru tranzistoru induktivně vázaným
s vinutím v bázi LB. Smysl vinutí vyznačený tečkami je volen tak, aby napětí v bodě 2 a v bodě 3
měla navzájem opačnou fázi a byla tedy při zapojení SE splněna fázová podmínka oscilací.
Činitel zpětné vazby β
β = n2
n1
2

Pro přenos zesilovače platí
A = −y21eZ
kde Z je v našem případě impedance rezonančního obvodu, takže
Rp
A = −y21e
1 + jQF
Fázová podmínka oscilací bude splněna na kmitočtu, při kterém jsou napětí v bodech 2 a 3 otočena
právě o 180 ◦ . Tímto kmitočtem je rezonanční kmitočet obvodu LC, při němž je poměrné rozladění
F = 0 a tedy přenos
A = −y21eRp
Dosazením tak získáváme amplitudovou podmínku oscilací pro tento konkrétní popisovaný obvod
βA = −y21eRp
= 1
− n2
n1
n2
= y21eRp
n1
Často se můžeme setkat s tříbodovými zapojeními oscilátorů. Tyto oscilátory mají buď indukční
nebo kapacitní větev rezonančního obvodu upravenou jako dělič, který je ve třech bodech připojen
k zesilovači.
¡¢ 5. Zapojení obvodu LC u Hartleyova a Colpittsova oscilátoru
(tříbodová zapojení)
¤¥¦Obr.
Problematika LC oscilátorů je rozsáhle provedena např. v publikaci [VM82].
Oscilátory řízené krystalem se vyznačují především svou vysokou stabilitou. Řídící člen je tvořen
piezoelektrickým rezonátorem, což je destička vhodně vyříznutá z křemene, nebo jiného piezoelektrického
krystalu. Tato destička je volně uložena mezi dvěma kovovými elektrodami. Střídavé napětí
přivedené na elektrody rezonátoru způsobí mechanické kmity krystalového výbrusu. Amplituda mechanických
kmitů dosáhne maxima, jestliže kmitočet ladícího elektrického napětí bude roven vlastnímu
mechanickému rezonančnímu kmitotu destičky oscilátoru. Změna amplitudy mechanických kmitů
se projevuje jako změna elektrické impedance. Na obr. 6c vykazuje impedance dva lokální extrémy.
Při kmitočtu fs je nejmenší, při kmitočtu fp, který je o málo větší než fs je největší. Při kmitočtech
vyšších než fp je dochází ke zmenšení impedance. Je tedy zřejmé, že na kmitočtu fs a v jeho okolí má
rezonátor analogické vlastnosti se sériovým rezonačním obvodem a na kmitočtu fp a v jeho okolí analogické
vlastnosti s obvodem paralelním. Na obr. 6b vidíme náhradní schéma rezonátoru.Významný je
zde fakt, že činitel jakosti rezonátoru se pohybuje v řádech 10 4 až 10 5 . Krystalové rezonátory (v komerční
sféře nazývané pouze „krystaly) se vyrábějí v širokém rozsahu kmitočtů. Výjimkou nejsou ani
3

krystaly s relativně nízkým kmitočtem 32768 Hz, používané v obvodech digitálních hodin. Příklady
zapojení oscilátoru jsou na obr. 7. Další informace lze nalézt v literatuře [VM82] a [HBN86].
¡¢£¤
¦§¨©
¡¢£¤¥
¨©
Obr. 7. Krystalové oscilátory
Použitá literatura
Obr. 6. Piezoelektrický rezonátor:
a) schématická značka, b) náhradní
schéma, c) impedanční charakteristika
[HBN86] Hojka, J. – Boltík, J. – Nobilis, J.: Radioelektronická zařízení I. SNTL, Praha, 1986.
[HV88] Hojka, J. – Vomela, J.: Radioelektronická zařízení II. SNTL, Praha, 1988.
[VM82] Vackář, J. – Marvánek, L.: Radiolektronická zařízení pro 4. ročník SPŠ elektrotechnických.
SNTL, Praha, 1986.
4