02 VFEL - predavanja.ppt

RC-oscilatoriRC oscilatori

Visokofrekvencijska elektronika © FER, ZRK

2

Temeljna obilježja RC-oscilatora

• Mreža povratne veze oscilatora može se sastaviti i od otpornika i samo j d t kt ij RC il t i ili RL il t i (RL i čijedne vrste reaktancija RC- oscilatori ili RL-oscilatori (RL-inačica se gotovo ne koristi).

– Mreža povratne veze mora, u zajednici s pojačalom, ispuniti Barkhausenov uvjet samopobude,

. 1

A• RC-oscilatori koriste se za generiranje signala niskih frekvencija, negdje

do oko 10 MHz (prevladavaju u području do 1 MHz).U kl i RC il t č t iti k i ti i ti• U sklopovima RC-oscilatora često se, uz pozitivnu, koristi i negativna povratna veza.

– Negativna povratna veza pridonosi stabilnijem radu pojačala.g j j– Pozitivna povratna veza osigurava samopobudu sklopa.– Dobri se rezultati postižu uporabom monolitnih integriranih sklopova pojačala

uz standardnu uporabu diskretnih tranzistora


uz standardnu uporabu diskretnih tranzistora.

3

Temeljna obilježja RC-oscilatora

– Dvije su inačice rješenja zajednice pozitivne i negativne povratne veze;• pozitivna je povratna veza frekvencijski ovisna (kao kod LC-oscilatora), dok jepozitivna je povratna veza frekvencijski ovisna (kao kod LC oscilatora), dok je

negativna povratna veza frekvencijski neovisna,• pozitivna je povratna veza frekvencijski neovisna, dok je negativna povratna veza

frekvencijski ovisna.

++

-

R4

R3


4

Oscilatori s CR- ili RC-nizom

• Mreža povratne veze sastavljena je od tri istovrsna CR- odnosno RC-sloga.istovrsna CR odnosno RC sloga.

– CR-slog je visokopropusne frekvencijske karakteristike napona,

• zakret faze izlaznog signala mijenja se od• zakret faze izlaznog signala mijenja se od +90o (za f → 0) do 0o (za f → ∞).

– RC-slog je niskopropusne frekvencijske karakteristike naponakarakteristike napona,

• zakret faze izlaznog signala mijenja se od 0o

(za f → 0) do -90o (za f → ∞).– Najmanje tri istovrsna sloga potrebna su zaNajmanje tri istovrsna sloga potrebna su za

postizanje zakreta faze od 180o. Zakret faze pojedinog sloga odstupat će od 60o zbog različitog opterećenja pojedinih slogova urazličitog opterećenja pojedinih slogova u nizu.

• Primjenjuju se postupci analize oscilatora s povratnom vezom pretpostav-


ljajući veliki ulazni otpor (RIA → ∞) i mali izlazni otpor pojačala (RIIA → 0).

5

Oscilatori s CR- ili RC-nizom

• Rezultati analize daju:

RC-oscilator

CR-niz RC-niz

Frekvencija, ω0 = CR1

61

CR6

Uvjet samopobude, A = 29 29


6

Wien-Robinsonov oscilator

• Wienovo djelilo ili Wienov slog ima maksimum R1

C1

frekvencijske karakteristike napona prikarakterističnoj frekvenciji ω0 i fazni je zakret tad jednak nula potrebno je pojačalo

u2

C1tad jednak nula potrebno je pojačalo zakreta faze od 360o.

• Omjer napona Wienova djelila iznosi:u1 R2 C2

.1j112

211

2

2

1

1

2

CRCR

CC

RR

U

U

• Naponi u1 i u2 će biti u fazi ako je imaginarni dio njihova omjera jednak nuli. Taj uvjet daje karakterističnu frekvenciju djelila,

1U

.1

21210 CCRR


7


• Realni članovi omjera napona određuju prigušenje četveropola odnosno potrebno pojačanje pojačala,p p j j p j ,

.11

2

2

1

CC

RRA

• Kad je R1 = R2 i C1 = C2, kao u sklopu na slici, frekvencija titraja i potrebno pojačanje pojačala u sklopu oscilatora iznose:

12

R R3

.3,10 A

CR

N biti št ji

u2

C

+

• Napon u4 mora biti nešto manji od u1 = u2/3 (mora postojati diferencijalni napon ud za pobudu

u1RC

+–

R4 u4

udpojačala) odnosno R3 mora biti nešto veći od 2R4.


8


1

,2 43

RRRR

Ul i dif ij l j č l j d k j li i

.3

12 22

44

42

43

44 uu

RRRu

RRRu

• Ulazni napon diferencijalnog pojačala jednak je razlici napona,

.11241d uuuu

R

uC

R3

• Kako je δ « 1 onda je približno,

33 241d

u1

u2

RC

+–

R4 u4

ud.

9 2d uu

• Minimalno pojačanje potrebno za samopobudu oscilatora jednako je onda,

.920

uA


d u

9

Oscilator s dvostrukim T-četveropolom

Cm

• Dvostruki T-četveropol nastao je paralelnim spajanjem dvaju T-četveropola.

• Frekvencijska karakteristika napona ovog četveropola, ,12

UU

pokazuje osobine karakteristike sa zapornim pojasom (band stop).

• Karakteristična frekvencija četveropola dobiva se ispunjavanjem uvjeta što daje,,0m

1


.10 CR

10


• Na karakterističnoj frekvenciji prijenosni faktor β je realan,

2 2

• Različito je vladanje ovog četveropola i ono ovisi o veličini faktora m

.12

2e 2

mmmm

Različito je vladanje ovog četveropola i ono ovisi o veličini faktora m.

Faktor m Prij. faktor β Zakret faze

m < 0,5 β < 0 180o

m = 0,5 β = 0 —

m > 0,5 β > 0 0o

K d j f kt 0 5 i l i j d t k T č t l j ji• Kad je faktor m > 0,5 izlazni je napon dvostrukog T-četveropola najmanji 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


C C– Samopobuda se ostvaruje preko

frekvencijski neovisnog djelila R3R

R+

napona koje je priključeno na neinvertirajuću priključnicu operacijskog pojačala.

R4mRC

-– Na karakterističnoj frekvenciji četveropola mora pozitivna povratna veza biti veća od

mnegativne povratne veze preko dvostrukog T-četveropola kako bi se omogućila samopobuda.

– Za sve ostale frekvencije, osim karakteristične frekvencije ω0, negativna povratna veza mora nadvladati pozitivnu povratnu vezu i time onemogućiti samopobudu.


12

Oscilator s premošćenim T-četveropolom

• Frekvencijska karakteristika napona ovog četveropola,

pokazuje osobine karakteristike sa zapornim pojasom (band stop).

,12

UU

p j p p j ( p)

• Karakteristična frekvencija četveropola dobiva se ispunjavanjem uvjeta

što daje,0m

što daje,,0m

.10 mCR


mCR

13

Oscilator s premošćenim T-četveropolom

• Na karakterističnoj frekvenciji prijenosni faktor β je realanNa karakterističnoj frekvenciji prijenosni faktor β je realan,

,2

2em

i on je uvijek pozitivan zakret faze jednak je nuli.• Četveropol se priključuje na invertirajući ulaz operacijskog pojačala kao

2 m

p p j j j p j g p jfrekvencijski ovisna negativna povratna veza.


Postupci kojima se poboljšava t bil t f k ijstabilnost frekvencije

oscilatoraoscilatora

Sklopovi oscilatora stabilne frekvencijefrekvencije


15

Temeljni pojmovi

• Oscilatori s promjenjivom frekvencijom,jednostavno brzo i točno namještanje frekvencije točnost frekvencije– 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 frekvencijukapacitivne 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,j j

– jednom postavljena frekvencija titraja se ne mijenja tijekom rada oscilatora stabilnost frekvencije,

• održavanje frekvencije u nekim određenim granicama oko središnje vrijednosti.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


– promjene klimatskih uvjeta – tlak, vlažnost, …

16

Temeljni pojmovi

• Oscilatori s čvrstom frekvencijom,– namještena frekvencija titraja se ne mijenja tijekom rada oscilatora

stabilnost frekvencijestabilnost frekvencije,• uzroci nestabilnosti frekvencije jednaki su onima kod oscilatora s promjenjivom

frekvencijom,i kod ove vrste oscilatora može se govoriti o točnosti namještanja frekvencije– i kod ove vrste oscilatora može se govoriti o točnosti namještanja frekvencije područje namjerne promjene frekvencije je vrlo usko.

T l ij f k ij tit j d št d t j f k ij tit j• Tolerancija frekvencije titraja dopušteno odstupanje frekvencije titraja od nominalne vrijednosti (dopuštena nestabilnost).


17

Temeljni pojmovi

• Tolerancija frekvencije oscilatora odnosi se na zajedničko djelovanje svihTolerancija frekvencije oscilatora odnosi se na zajedničko djelovanje svih uzroka nestabilnosti u području njihovih vrijednosti u kojima je predviđen rad uređaja.

U it ij t b i k t bil ti f k ij i j– U situacijama potrebe za visokom stabilnosti frekvencije propisuju se tolerancije frekvencije za svaki uzrok posebno.

– Tolerancija frekvencije po vremenu:• kratkotrajna stabilnost,• dugotrajna stabilnost.

– Za utvrđivanje tolerancije frekvencije prihvaćena su vremena: 1 sekunda, 1 sat, 1 dan, 1 mjesec, 1 godina.

• Oscilator mijenja frekvenciju i zbog starenja svojih elemenata prilaže se dijagram starenja.se dijagram starenja.


18

Parametri stabilnosti frekvencije

• Stabilnost frekvencije označuje se apsolutnim iznosom odstupanja frekvencije titraja od nominalne vrijednostiodstupanja frekvencije titraja od nominalne vrijednosti, odnosno njihovim omjerom.

– Apsolutna stabilnost – najveće odstupanje frekvencije,.Hz,f

– Relativna stabilnost – omjer najvećeg odstupanja frekvencije i njezine nominalne vrijednostinjezine nominalne vrijednosti,

.0ff

0f• Relativna stabilnost je parametar bez dimenzije (npr. 10-5).• Ako se promjena frekvencije izrazi u Hz, a nominalna vrijednost

frekvencije u MHz onda je dobivena relativna stabilnost izražena ufrekvencije u MHz onda je dobivena relativna stabilnost izražena u jedinicama nazvanim ppm (parts per million),

.ppm ,MH

Hz ,f

f


pp,MHz , 0f

19


• Temperaturni koeficijent frekvencije omjer promjene frekvencije i• Temperaturni koeficijent frekvencije – omjer promjene frekvencije i njezine nominalne vrijednosti pri promjeni temperature za 1oC unutar područja promjene temperature od –Y1

oC do +Y2oC,

.1

0 Tff

f

• 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 j , j j p j j j jzagrijavanja termostata).


20


• Primjeri tolerancije frekvencije:– frekvencija VHF-FM-odašiljača, 1000 Hz,– frekvencija UHF-TV-odašiljača, 10-7 ,– frekvencija mobilne postaje UHF privatne mreže, 10 ppm,

frekvencija repetitorske postaje UHF privatne mreže 5 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:aktivnoga i pasivnog četveropola, nastaju zbog:

– promjena parametara pasivne mreže (promjene rezonantne frekvencije npr.),

– promjena parametara aktivnog četveropola (tranzistora, operacijskog pojačala, …),parametara (reaktancije) trošila– parametara (reaktancije) trošila.

• Stabilnost rezonantne frekvencije titrajnog kruga u pasivnoj mreži povratne veze najviše utječe na ukupnu stabilnostmreži 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 …).


stanja, geometrijskog oblika i položaja elemenata; starenja …).

22


– Povišenje temperature svitka izaziva porast njegova induktiviteta. Temperaturni koeficijent svitka:Temperaturni koeficijent svitka:

.0,1

LL TL

L

– Temperaturna ovisnost kapaciteta kondenzatora očituje se u porastu ili smanjenju kapaciteta ovisno o građi kondenzatora. Temperaturni koeficijent kondenzatora:Temperaturni koeficijent kondenzatora:

. 0 ili 0,1

CCC TC

C

– Temperaturni koeficijent rezonantne frekvencije može se povezati s αL i αC:

1 .21

LCf

– Porastom vlažnosti okoline smanjuje se dobrota titrajnog kruga zbog


povećanja površinskog odvoda struje.

23


P t i t i t ili ij k j č l dl ž i j• Parametri tranzistora ili operacijskog pojačala 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 tlakpromjena 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 toplinskom bijegu — porastom U po a a s o su pod o op s o b jegu po as otemperature raste njihov unutarnji otpor rd i pada im strmina gm.


24

Postupci stabiliziranja frekvencije

• 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 pomoću dodatnih reaktancija,

– stabilizacije uz pomoć kristala (oscilatori s kristalom).


25

Stabilizacija pomoću dodatnog otpora

P k t bili ij f k ij ć d d t t• Postupak stabilizacije frekvencije pomoću dodatnog otporatemelji se na dodavanju jednog otpornika,

u seriju s ulaznom priključnicom pojačala (povećava se ulazni otpor)– 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 j p j p j (p j

otpor).

• Ovim se postupcima smanjuje pojačanje pojačala zbog i d d lj di inegativne povratne veze na dodanom otporu – valja voditi

računa o ispunjenju uvjeta za samopobudu.


26


UCC+

R1

Cv

Pr.

C2

RS

RER2C3

LRS

C1

U i j t i t j ZB j ( li l i i liki i l i t )• U primjeru tranzistor je u ZB-spoju (mali ulazni i veliki izlazni otpor).• Stabilizacijski otpor RS doprinosi povećanju ulaznog otpora kao i

eventualno izostavljanje C3.


j j 3

27


+UCC

R

R1

C

CbR

C CG +UDD

R

Cv

L1C

RG RSCb

10C L 1

1

RSR2L 1C

• Kameleon oscilator osniva se na Hartleyevu oscilatoru. Stabilizacijski otpor RS dodaje se u krug slijeva odnosno emitera.

– Negativna povratna veza na RS povećava ulazni i izlazni otpor pojačala što je osnova stabiliziranja frekvencije.

– Zbog istodobnog smanjenja pojačanja treba koristiti jaku povratnu vezu radi


g g j j p j j j pispunjavanja uvjeta samopobude – odvojak je na sredini svitka L.

28

LC-oscilatori stabilne frekvencije

1 1

L3

C1L

3

C1

L

C2 C2 C3

• Većim omjerom C/L titrajnog kruga poboljšava se stabilnost frekvencije

2 2

j j g g p j ji smanjuje se utjecaj promjenjivih međuelektrodnih kapaciteta.

• Ukupni je kapacitet titrajnog kruga Colpittsova oscilatora,

.21

21

CCCCC


29


• Zbog promjene međuelektrodnih kapaciteta ukupni se kapacitet u titrajnom krugu mijenja za ΔC i uzrokuje promjenu rezonantne frekvencijetitrajnom krugu mijenja za ΔC i uzrokuje promjenu rezonantne frekvencije titrajnog kruga za Δω0,

11 22 CC .2

020 CCCCCLCLCCL

• Kako je20 CCC

• Kako je, ,, 2

0 CCC

Utjecaj promjena kapaciteta u titrajnom krugu bit će manji ako su velike vrijednosti kapaciteta C1 i C2vrijednosti kapaciteta C1 i C2.

• Nakon dodavanja kapaciteta C3 postaje ukupni kapacitet u titrajnom krugu jednak, 1

.3

30 CC

CCC

L3

C1

C C


2

C2 C3

30


• Ako se, kao i kod Colpittsova oscilatora, kapacitet serijskog spoja C1 i C2promijeni za ΔC nastat će promjena ukupnog kapaciteta preinačenogapromijeni za ΔC nastat će promjena ukupnog kapaciteta preinačenoga titrajnog kruga u iznosu,

33 CCCCCC

1 ,3

3

3

30 CCCCC

C

00 CCCCC

L3

C1

,,

020

0

0

0

CC

CC

CC

CCCC

2

C2 C3

• Praktično se odabiru vrijednosti kapaciteta C3 deset puta manjim od

.020

0

CC

2

j p 3 p jkapaciteta u titrajnom krugu (C3 = C2/10).

• Kako je C0/C < 1, to znači da je uporabom C3 smanjena i relativna promjena frekvencije Δω /ω


promjena frekvencije Δω0/ω0.

31


• Gouriet-Clappov oscilator izveden je iz UCC

Colpittsova oscilatora. Serijski spoj L i C3 mora biti induktivne reaktancije. Odgovarajući nadomjesni induktivitet

Pr.R1

serijskog spoja je, LL1

C1

C2

R2

REC4 C31LL 1RE,

321 C

LL

111111 12

L ,111111

21

1

ceeb'

2

321

2

CCLL

rrCCCL

.1;,;1 0b'

211

0

rr

CCLL


ceeb' rrL

32


,111111 12

CCLL

CCCL

Kako su C i C puno veći od C (ranije pokazano da su poželjni veliki

,21ceeb'

20

321 CCLrrCCCL

• Kako su C1 i C2 puno veći od C3 (ranije pokazano da su poželjni veliki

kapaciteti) onda je rezonantna frekvencija titrajnog kruga,

11111

d f k ij tit j il t ibliž j j d k f k iji

,11111

3321

20 CLCCCL

odnosno, frekvencija titraja oscilatora približno je jednaka frekvenciji serijske rezonancije L i C3.

• Pomoću C3 jednostavno se mijenja frekvencija Gouriet-Clappova 3 j j j j pposcilatora.

• Stabilnost LC-oscilatora u laboratorijskim uvjetima dosiže 1·10–4, ali je u eksploataciji manja


u eksploataciji manja.

33

Stabilizacija frekvencije pomoću kristala

• Primjenjuje se mehanička rezonancija.j j j j• Mehanički vibracijski element potiče se na

vibriranje elektroničkim sklopom.Z h ičk tit j k i ti l t• 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 j j j jna 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


• 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 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 pločicematerijala i geometrijskom obliku pločice.

– Na rezonantnoj frekvenciji nastaje pretvorba između energije električnog i energije mehaničkog stanja elastičnog tijela kristala s vrlo malom disipacijom u kristaluu kristalu.

– Krivulja rezonancije je vrlo oštra (visoki Q) – odgovara dobroti nadomjesnoga LC-titrajnog kruga u iznosima, Q = 105 106.

• Svojstvena frekvencija kristala znatno manje ovisi o uvjetima okolinenegoli se može postići s elementima električnoga titrajnog sustava.


35

Stabilizacija frekvencije pomoću kristala• Stabilnost frekvencije oscilatora s kristalom, osim o kristalu ovisi i o

ostalim parametrima sklopa,– postižu se relativne stabilnosti: 2·10–5 (standardne izvedbe); 1·10–6 do

2·10–7 (temperaturno kompenzirani oscilatori); 5·10–8 do 1·10–9 (posebne izvedbe sa oscilatorom u termostatu); do 1·10–11 (ostvareno je za potrebe ) ( j pmjerenja u vrhunskoj točnosti).

• Na slici je položaj pojedinih elemenata na kristalu kvarca.


36


• Rez kristala je orijentacija pločice kristala s obzirom na kristalografske osi materijala,j ,

– poznato je 12 rezova kristala. Oni vibriraju na četiri načina:

Smicanje po debljini, Savijanje,XY H NT

Smicanje po debljini, Savijanje,XY H NT

• smicanje po debljini,• savijanjem

AT-, BT-, SC-rez XY-, H-, NT-rezAT-, BT-, SC-rez XY-, H-, NT-rez savijanjem,• istezanjem,• smicanje po dijagonali.

– GT-rez — najstariji najvećaLongitudinalno istezanje,

X-, MT-rezSavijanje, J-rezLongitudinalno istezanje,

X-, MT-rezSavijanje, J-rez

GT-rez najstariji, najveća stabilnost frekvencije, visoki proizvodni troškovi.

– AT-rez — najviše je u

Smicanje po dijagonali,CT DT rez

Smicanje po dijagonali,CT DT rez

j jupotrebi, dobra temperaturna karakteristika, teškoće u proizvodnji kristala dobrih osobinaCT-, DT-rezCT-, DT-rez osobina.

– XY-rez — koristi se za elektroničke satove (upotrebljava se i NT-rez),


(upotrebljava se i NT rez), frekvencija 32,768 kHz.

37


• Kristalna jedinica – kristal u kučištu spreman za uporabu.• Nadomjesna shema vrijedi u okolišu rezonantne frekvencije kristala. Četiri

nadomjesna elementa Lx, Cx, rx i C0 su neovisni o amplitudi i frekvencijinadomjesna elementa Lx, Cx, rx i C0 su neovisni o amplitudi i frekvenciji titraja.

– Lx – predočuje masu kristala,C predočuje elastičnost kristala– Cx – predočuje elastičnost kristala,

– rx – predočuje trenje u kristalu koje je uzrokom zagrijavanja pločice,– C0 – predočuje kapacitete pločica, dovoda i kučišta.


38


Tipične vrijednosti elemenata nadomjesne sheme

Frekvencija 32 kHz 200 kHz 2 MHz 30 MHz 150 MHz

200 kΩ 2kΩ 100 Ω 20 Ω 5 Ωrx 200 kΩ 2kΩ 100 Ω 20 Ω 5 Ω

Lx 7000H 27H 529 mH 11 mH 2 mH

C 0 003 F 0 024 F 0 012 F 0 0026 F 0 0001 FCx 0.003 pF 0.024 pF 0.012 pF 0.0026 pF 0.0001 pF

C0 1,7 pF 9 pF 4 pF 6 pF 2 pF


39


+xxe

0fp fs f

–xxe

• Pretpostavljajući da je rx = 0, prema nadomjesnoj shemi impedancija kristala jekristala je,

( )( ) .

-1j3

xx2

x CCCCLCL

Z +=


( )- 0x0xx CCCCL +

40

Stabilizacija frekvencije pomoću kristala• Serijska rezonancija nastaje kad je impedancija Zx = 0, odnosno kad je

1 – ω2Lx Cx = 0, što daje,

.2

1

xxs CL

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 rx.• Frekvencija paralelne rezonancije viša je od serijske rezonancije,

.

21111

21

0

xs

0xxp

CCf

CCLf

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 0,1%).

• Kad se uzme u obzir i otpor rx postaje impedancija kristala prema p x p j p j pnadomjesnoj shemi jednaka,

.jj1

32xxxx

2

xrCrCLZ


.jjj xexe

0x0xx3

0xx2x xr

CCCCLCCrZ

41

Stabilizacija frekvencije pomoću kristala• Kristalna jedinica koristi se kao dvopol u sklopovima oscilatora u:

– «serijskom radu» na frekvenciji serijske rezonancije kad je xxe = 0, a impedancija kristala predočena vrlo malim otporom rxe = rx,

– «paralelnom radu» u području frekvencija između serijske i paralelne rezonancije kad je xxe > 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 kaddobivanje 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.f– 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 C0 koji povećava nestabilnost


j 0 j pfrekvencije.

42


• Radi smanjenja utjecaja C0 na frekvenciju titraja koristi se kapacitivno opterećenje kristala Copterećenje kristala Cd.

• Paralelno dodani Cd ima učinak povećanja C0 (snižava se fp), 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 xxe + XCd.

• Vrijednosti kapacitivnog opterećenja +xxe• Vrijednosti kapacitivnog opterećenja kristala su normirane i iznose:

– Cd = 20; 30; (40); 50 i 100 pF.

+xxe

0fp fs f


–xxe

43


• Pojava vučenja ili navlačenja frekvencije kristala:j j j j– razlika frekvencija paralelne i serijske rezonancije fp – fs ovisi o kapacitetima

kristala Cx i C0,ta se razlika može mijenjati uz pomoć kristalu dodane reaktancije– 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 dobrotuPrednost 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 1CCmijenjati frekvencija kristala, jer je .1sx CC


44

Sklopovi oscilatora s kristalom

• Po načinu upotrebe kristalne jedinice razlikuju se dvije p j j jskupine oscilatora s kristalom:

A. Kristal je sastavni dio titrajnog kruga, on određuje frekvenciju tit j tit ji i ći b k i t ltitraja, titraji nisu mogući bez 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 LC-oscilatora, titraji se moguB. Kristal nadzire frekvenciju LC 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 naselektivni «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


Ra

C1

C2KCb

+UDD

CS C1

CV

b

RSRG

• Pierceov oscilator dobiva se stavljanjem kristala na mjesto svitka u j j jtitrajnom krugu Colpittsova oscilatora Pierceov oscilator pripada skupini A.I.

– C u sklopu na slici služi za vučenje frekvencije oscilatora


Cs u sklopu na slici služi za vučenje frekvencije oscilatora.

46


– Bipolarni se tranzistor nalazi u spoju ZC.Nadomjesti li se emiterski otpornik R odgovarajućom prigušnicom L valja– Nadomjesti li se emiterski otpornik RE odgovarajućom prigušnicom LE valja povećati R1 da se postigne željeni položaj radne točke. Reaktancija te prigušnice mora biti XE ≈ RE.Oscilator s BJT prikladan je za rad na višim harmonicima uvjet– Oscilator s BJT prikladan je za rad na višim harmonicima uvjet samopobude ispunjava se tad na frekvenciji harmonika, a ne na osnovnoj frekvenciji. Uvjet XE ≈ RE mora biti ispunjen na tom harmoniku. (Napomena: L i C nisu u rezonanciji!)(Napomena: LE i C1 nisu u rezonanciji!)


47


• Modificirani Pierceov oscilator• Modificirani Pierceov oscilator visoke je stabilnosti frekvencije.

– Dodavanjem otpora R3 u seriju s i č t l blik j dpi-četveropolom oblikuju se dva

sloga: R3C2 i KC1 kojima se zajedno mogu postići i zakreti fa e ra ličiti od 180o a koji sfaze različiti od 180o, a koji su potrebni kad pojačalo ne zakreće fazu signala točno za 180o180o.

– Primjer: Za samopobudu potrebni zakret faze daju slogovi R3C2 (npr. 74o), KC1 (105o) te pojačalo (181o).


– Potrebno je veće pojačanje pojačala.

48


• Millerov oscilator dobiva se stavljanjem kristala na mjesto jednog svitka u titrajnom krugu Hartleyeva oscilatora Millerov oscilator pripadatitrajnom krugu Hartleyeva oscilatora Millerov oscilator pripada skupini A.I.

– Rezonantnu frekvenciju LC-kruga treba podesiti na frekvenciju višu od radne f k ij il t LC k j i d kti kt ijfrekvencije oscilatora LC-krug je induktivne reaktancije.

– Bez kapaciteta C signal je izobličen i manje je amplitude.

L2C2 C L

– Nestabilnost frekvencije potječe od učinka ulaznog (Millerovog) kapaciteta, koji

i i j č j

RG RKCS

ovisi o pojačanju.

RG RSK

Cb


UDD

49


• Međuelektrodni kapacitet Cbc suži za ostvarenje povratne veze.


50


K

RIIA uizIIA+

RIA

uiz

• 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 bitiizlaznome 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


pojačala ne smanjuju dobrotu kristala i njegove stabilizirajuće osobine.

51


• Heegnerov oscilator nastaje vezanjem dvostupanjskog pojačala, ukupnog g j j p j g p j , p gzakreta faze od 360o, u zatvorenu zamku Heegnerov oscilator pripada skupini A.II.

Frekvencija titraja odgovara frekvenciji serijske rezonancije kristala jer tad je– 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 tad će kristalpojačalima usklađenima na frekvenciju neparnog harmonika fs, tad će kristal biti pobuđen na toj frekvenciji.

K


52


• Buttlerov oscilator također pripada skupini A.II.Stupanj pojačala s tranzistorom T može se izvesti i kao aperiodsko pojačalo– Stupanj pojačala s tranzistorom T1 može se izvesti i kao aperiodsko pojačalo postiže se veća stabilnost frekvencije titraja.

– T1 radi u ZB-spoju, dok je T2 u ZC-spoju kristal je s obje strane zaključen malim otporimamalim otporima.

– Nedostatak sklopa je u malom pojačanju pa on

ž diti R R RL CUCC

može raditi samo s kristalima visoke dobrote Q.

– Kristal se može pobuditi na iši h i i

R1 RC CvR3L

višim harmonicima uporabom selektivnog pojačala s T1 (titrajni krug u kolektor )

R2K

T1 T2

kolektoru).D RE1 RE2 R4


53


Ub

R3RD Cv

K

T1T2

R4

K

RS RE2S

• U Buttlerovom oscilatoru za niske frekvencije bolje je uzeti FET za T1. Potrebni mali ulazni otpor daje FET veće strmine.


54


Oscilatori iz skupine B III nastaju kad se već postojećem LC oscilatoru• Oscilatori iz skupine B.III. nastaju kad se već postojećem LC-oscilatoru prekine grana povratne veze i na to se mjesto ugradi kristal. LC-oscilator mora biti projektiran za titranje na frekvenciji koja je jednaka frekvenciji

ij k ij k i lserijske rezonancije kristala.– Kristalna jedinica djeluje kao

uskopojasni filtar.L

UDD

– Faktor dobrote titrajnog kruga ne smije biti prevelik.

– Na niskim frekvencijama poteškoće

L

Na niskim frekvencijama poteškoće može izazvati veliki otpor kristala rx potrebno je veliko pojačanje.

R R

K C2

CRG RS C1


55


– Na visokim frekvencijama kristal više ne stabilizira frekvenciju,• povratna se veza zatvara preko C0 koji je tad male impedancijepovratna se veza zatvara preko C0 koji je tad male impedancije,• dodatnim svitkom Lk kompenzira se kapacitivna reaktancija od C0 (Lk i C0 su u

paralelnoj rezonanciji ili bar blizu nje velika je impedancija paralelnog spoja Lk i C0).


56

Još nekoliko pojmova

• Naponom upravljani oscilator s kristalom (VCXO, Voltage Controlled p p j ( gCrystal 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.do 50 ppm/V, a za veće vrijednosti treba smanjiti Q kristala.

• Temperaturno kompenzirani oscilator s kristalom (TCXO, Temperature Compensated Crystal Oscillator) sastoji se od jednog VCXO i jedne termistorske mreže ili digitalnog sustava za ispravljanje promjenatermistorske mreže ili digitalnog sustava za ispravljanje promjena frekvencije nastalih pod utjecajem temperature.

• Oscilator s kristalom u termostatu (OCXO, Oven Controlled Crystal Oscillator) zahvaljuje visoku stabilnost frekvencije titranja zbog držanja sklopa na stalnoj povišenoj temperaturi.

• MCXO (Microcomputer Compensated Crystal Oscillator) i DCXO (Digitally• MCXO (Microcomputer Compensated Crystal Oscillator) i DCXO (Digitally Compensated Crystal Oscillator) koriste digitalne postupke kompenzacije temperaturnih promjena frekvencije.


Oscilatori s digitalnim sklopomOscilatori s digitalnim sklopom


58

Zašto digitalni sklop?• 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 RC-oscilatore• operacijsko pojačalo uspješno se upotrebljava za RC-oscilatore.– Digitalni integrirani sklopovi,

• kontinuirana promjena ulazne veličine uzrokuje diskretnu promjenu izlazne veličine, javljaju se samo dvije vrijednosti izlazne veličine,j j j j j

• na raspolaganju su logički sklopovi, vrata raznih vrsta.• U elektroničkim uređajima digitalnih sustava (računala, mikroprocesori,

mjerni instrumenti, digitalni komunikacijski sustavi) koriste se oscilatori j , g j )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 j pdigitalnih jedinica.

• Digitalni (logički) sklop može poslužiti u sklopu oscilatora ako može osigurati pojačanje signala pojačanje zamke povratne veze mora biti


osigurati pojačanje signala pojačanje zamke povratne veze mora biti nešto veće od jedan u trenutku ukapčanja oscilatora.

59

Primjer logičkog sklopa CMOS-invertora

+UDDG2 S2S2

D2

p-MOS Ulaz: U1

Izlaz: U2

U2U1 G1S1

D1n-MOS L (0) H (1)

H (1) L (0)1 H (1) L (0)

• Kad je U1 niske razine (L-razina):– p-kanalni tranzistor T2 je uključen i malog je otpora između izvora napajanja

i izlaza; napon između G i S približno je jednak Ui izlaza; napon između G2 i S2 približno je jednak –UDD,– n-kanalni tranzistor T1 je u zapornom stanju; veliki je otpor između D1 i S1.– Uz veliki otpor tranzistora T1 i mali otpor tranzistora T2 napon U2 na izlazu je


visoke razine (H-razina).

60


+UDDG2 S2

Ulaz: U1

Izlaz: U2

S2

D2

p-MOS

L (0) H (1)

H (1) L (0)U2U1 G1

S1

D1n-MOS

H (1) L (0)1

• Kad je U1 visoke razine (H-razina):– p-kanalni tranzistor T2 je u zapornom stanju; veliki je otpor između između

izvora napajanja i izlazaizvora napajanja i izlaza,– n-kanalni tranzistor T1 je uključen; mali je otpor između D1 i S1.– Uz veliki otpor tranzistora T2 i mali otpor tranzistora T1 napon U2 na izlazu je


niske razine (L-razina).

61


• Statička disipacija CMOS-invertora je zanemarivo mala u oba logička t j j d d t i t j U di ički j ti di i istanja jedan od tranzistora je zaporan. U dinamičkim uvjetima disipirana

snaga raste s frekvencijom.• Sve logičke sklopove obilježava:g p j

– veliki ulazni otpor,– mali izlazni otpor.

Namještanje radne točke• Kad se digitalni sklop nalazi u jednom od dva stabilna stanja njegovo jeKad 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 drugojednoga 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


• Veliki otpor R1 veže se između ulaza izlaza CMOS-invertora.– Zbog velikoga ulaznog otpora invertora struja gata je zanemarive razine,

• nema pada napona na otporniku R1 p p p 1

• radna je točka smještena u područje velike strmine prijenosne karakteristike invertora veliko je pojačanje invertora (uobičajeno je pojačanje napona

,2DD

21UUU


invertora veliko je pojačanje invertora (uobičajeno je pojačanje napona nekoliko stotina).

63


+UDDGG2 S2

D2R1

U2U1 G1

D1

S1

– R1 mora biti mali u odnosu na ulazni otpor CMOS-invertora RIA,1 p IA,– R1 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

• 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 ulaznesklopovi, npr. NILI ili NI sklop, s tim da im se povežu dvije ulazne priključnice.

• Za oscilatore su prikladni:it ki ti kl i (ECL E itt C l d L i ) iš f k ij– emiterski-spregnuti sklopovi (ECL, Emitter-Coupled Logic) za više frekvencije

ili,– unipolarni CMOS logički sklopovi (ili BiCMOS) za niže frekvencije.

Tradicionalno korišteni simboliTradicionalno korišteni simboli

Simboli prema IECSimboli prema IEC


I – sklop NILI – sklop NE – sklopI – sklop NILI – sklop NE – sklop

65


• Prema načinu upotrebe kristala dvije su skupine oscilatora i u obje je kristal sastavni dio titrajnog kruga i on određuje j j j g g jfrekvenciju titraja (sklopovi iz skupine A.),

– u «serijskom radu» kristal nadomještava serijski titrajni krug u krugu t ( kl i i k i A II )povratne veze (sklopovi iz skupine A.II.),

– u «paralelnom radu» kristal nadomještava induktivnu reaktanciju u titrajnom krugu (sklopovi iz skupine A.I.).j g ( p p )


66

Sklopovi sa serijskim radom kristalaK

RIIA+

R0 uo

• Kod oscilatora sa serijskim radom kristala otpori R0 i RIIA moraju biti mali u odnosu na rx kristala kristal tad ima dominantni utjecaj na frekvenciju titraja – dobrota Q kristala ostaje velikaQ kristala ostaje velika.

• Da li ima kakvog utjecaja pobuda kristala pravokutnim naponom?– U serijskoj rezonanciji kristal je realne i male impedancije rx.

U krugu teče sinusna struja frekvencije f ako repeticija pobudnoga pravokutnog– U krugu teče sinusna struja frekvencije fs ako repeticija pobudnoga pravokutnog napona odgovara fs.

– Nema zakreta faze između sinusne struje i pobudnoga pravokutnog napona.Sinusni napon na R u fazi je s pobudnim naponom u oscilatoru sa serijski vezanim


– Sinusni napon na R0 u fazi je s pobudnim naponom u oscilatoru sa serijski vezanim kristalom nema zakreta faze na kristalu.

67


1 1 1C2

R0 R1

R2C

• U sklopu oscilatora koriste se dva invertora radi postizanja zakreta faze od 360o

R2C1

U sklopu oscilatora koriste se dva invertora radi postizanja zakreta faze od 360 .– Namještanjem radne točke prvog invertora uz pomoć malog otpora R0 i velikog otpora

R1, kojima je spojište dinamički uzemljeno (C1 → ∞), smanjuje se utjecaj sklopa na dobrotu kristala i stabilnost frekvencije.j

– U nekima praktičnim sklopovima izostavljaju se R0 i C1 usprkos nastaloga nepovoljnog učinka.

– U prikazanom primjeru koristi se odvojni stupanj s trećim invertorom radi uklanjanja


utjecaja trošila na rad sklopa.

68


1 1 1C2

R0 R1

R2C C L

• Kad se želi da kristal vibrira na nekome višem harmoniku treba onemogućiti

R2C1 Ck Lk

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 Lk i Ck postavlja se na frekvenciju višu od osnovneRezonancija paralelnog spoja Lk i Ck 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 Lk–Ck spoja.

69

Pierceov oscilator

• 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 R2 povećava opteretni otpor kristala s izlazne strane


p 2 p p ppojačala mali je izlazni otpor invertora.

70

Pierceov oscilator

– Otpornik R1 za namještanje radne točke velike je otporne vrijednosti (reda veličine MΩ) pa je za izmjenični signal povratna veza preko R1 zanemarivoveličine MΩ) pa je za izmjenični signal povratna veza preko R1 zanemarivo mala.

– Stabilnost frekvencije titraja ovisi o faznoj strmini pasivnog četveropola —kad bi nadomjesni otpor kristala r → 0 (Q →∞) dobila bi se okomita faznakad bi nadomjesni otpor kristala rxe → 0 (Qxe → ∞) dobila bi se okomita fazna karakteristika frekvencija oscilatora bi ostala stalna i pri promjeni faze u zamci povratne veze.

• Koristimo se Barkhausenovim uvjetom samopobude Colpittsova• Koristimo se Barkhausenovim uvjetom samopobude Colpittsova oscilatora uz,

,j,j,j xexe32211 xrZXZXZ xexe32211

1 1

R1

1 1

K

C

R2

C


C2C1

71

Pierceov oscilator

R1

1 1

RK

C2

R2

C1

Na temelju nadomjesne sheme izlazi pojačanje u zamci povratne veze• Na temelju nadomjesne sheme izlazi pojačanje u zamci povratne veze,

.1jjjj

0

xrxrAA

j1jjj1

xexe

21

xexe

21II

Xxr

XXxr

XXR


72

Pierceov oscilator

• Zakret faze signala nakon prolaza kroz zamku povratne veze mora biti jednak nuli tjjednak nuli, tj.

.0m

A

što daje,

11 rx .011

1

xe

21

xe

21II

Xr

XXx

XXR

Od d i č d j i d kti kt ij k i t l j di i• Odavde se izračuna nadomjesna induktivna reaktancija kristalne jedinice xxe i izjednači s normiranim kapacitivnim opterećenjem XCd,

r

pF100;50);32(;30;20

,1 CdII

xe21xe

C

XRrXXx


.pF100;50);32(;30;20d C

73

Pierceov oscilator

• Za oscilatore u elektroničkim satovima preporučuje se kapacitivno opterećenje kristala u iznosu od C = 10 ili 20 pFopterećenje kristala u iznosu od Cd = 10 ili 20 pF.

• Primjer: Podaci za 32-kHz kristal:f0 = 32 768 kHz; Cd = 10 pF; r = 40 kΩ; C0 = 2 85 pF;f0 32,768 kHz; Cd 10 pF; rx 40 kΩ; C0 2,85 pF; C0/Cx = 580; Q = 25000.

• Iz uvjeta izlazi1e

AIz uvjeta izlazi,,1e

A

.1210 XXR

XXAA

• Za samopobudu pri uključivanju oscilatora potrebno je minimalno pojačanje u iznosu

1xe2IIxe XxXRr

pojačanje u iznosu,

.1xe2IIxe0min XX

XxXRrA


21 XX

74

Pierceov oscilator

• Malo gušenje pi-četveropola dobiva se uz jednake vrijednosti kapaciteta, C1 = C2 = 2Cd.

• CMOS-sklopovi ograničene su strujne izdašnosti,postoje problemi pri radu na jako niskim frekvencijama zbog velikog r kristala– postoje problemi pri radu na jako niskim frekvencijama zbog velikog rx kristala,

– potrebno je paralelno spojiti više CMOS-invertora radi postizanja potrebne izdašnosti struje.

• Na višim frekvencijama pojačalo ne zakreće više fazu u idealnom iznosu od 180o. Prolaskom signala kroz invertor dolazi do njegova kašnjenja, za iznos tp, a to je uzrokom dodatnog zakreta faze za iznos φA:p j g φA

,2 p0A tf

gdje je f radna frekvencija oscilatoragdje je f0 radna frekvencija oscilatora.– Primjer : Na radnoj frekvenciji oscilatora od 4 MHz kašnjenje od

samo 10 ns uzrokuje dodatni zakret faze od 14,4o.


j ,

75

Pierceov oscilator

• Ukupni zakret faze u zamci mora ostati 360o, a on se mora dobiti kad se zakretu faze pojačala dodaju oni od R2C2-sloga i KC1-sloga.p j j 2 2 g 1 g

• Zbog velikoga dodatnog zakreta faze, zbog kašnjenja u invertoru, otpor R2u sklopu oscilatora nadomještava se kapacitetom C3. Veličina C3 odabire se obično u iznosu polovice jednakih kapaciteta C i Cse obično u iznosu polovice jednakih kapaciteta C1 i C2,

.,22 d321

3 CCCCC

R1R1

1 1

C3

1 1

R2K

C2

C3

C1

K

C2

R2

C1


76

Pierceov oscilator

• Oscilatori s digitalnim sklopom lošije su stabilnosti od odgovarajućih sklopova s diskretnim tranzistorom.p

• Stabilnost frekvencije može se poboljšati uporabom velikih vrijednosti kapaciteta C1 i C2 kojima se smanjuje relativni utjecaj promjena impedancija invertora pri promjenama temperature i napona napajanjaimpedancija invertora pri promjenama temperature i napona napajanja.

– Mali kapacitet Cs u seriju s kristalom dodatno izolira kristal od ostatka sklopa.


77

Pierceov oscilator

• Pri radu kristala na višim harmonicima treba smanjiti pojačanje u zamci povratne veze na osnovnoj frekvenciji.p j j

• Paralelna rezonancija spoja La i C2 postavlja se na frekvenciju koja je nešto niža od frekvencije željenog harmonika vibriranja kristala.

Pravilnim izborom kapaciteta C dodatno se potiskuje titranje na osnovnoj– Pravilnim izborom kapaciteta C3 dodatno se potiskuje titranje na osnovnoj frekvenciji kristala.

– Sklop može poslužiti za pobudu na trećem harmoniku (od 10 – 75 MHz) i na t h ik ( d 50 125 MH )petom harmoniku (od 50 – 125 MHz).

R1

1 1

CK

C2

C3

C1 La


Documents

02 VFEL - predavanja.ppt