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© Roland Küng, 2011

Oszillatoren

2

Methode 1:

Mitkopplung

Aus Gegenkopplung wird Mitkopplung Instabil

• Echte Oszillatoren

• Lösung einer DGL

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Methode 1: Mitkopplung

The Players

Gain / 1800

Gain / 00

Loss / 00 - 900

Loss / 00 -1800

Bode Feedback Network

4

1800

4 3 2 1

Methode 1: Mitkopplung

The Game

Phase shift für jedes RC-Glied

00 … 900 00 … 2700

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Methode 2: Kippschaltung

Labiles System

VOL = L- VOH = L+0

Vd= 0 gilt nicht mehr !

• Bistabile Lösung

• Hysterese

The Players

I Schmitt TriggerNI Schmitt Trigger

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Methode 2: Kippschaltung

OpAmp mit Sättigungsspannung ± L

The Game

−+ −==

=−

+⋅⋅=

LLLfür

f

1

VL

VLlnRC2T

0TH

THperiod

21

1TH

RR

RLv

+⋅= +

A: Astabiler Multivibrator

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B: Rechteck/Dreieck

Methode 2: Kippschaltung

The Game

R2

R3

R1

C1

Bsp. Für 1 kHz: C = 100n, R2 = 10k, R3 = 5k, R1 = 5k, L+ = 4 V Dreieck 2 Vpeak

2

3TLTH

R

RLV- V ⋅== +

−+ −==

⋅⋅⋅=

LLLfür

RCR4

Rf

311

2

OpAmp mit Sättigungsspannung ± L

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Einige Oszillatorschaltungen

•Oszillatoren mit Schmitt Trigger

•Oszillatoren mit digitalen Gatter im Analogbetrieb

•Quarzoszillatoren Takt

•Wien Oszillatoren Sinus

•Phase Shift Oszillator Sinus

Logic Gates

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Rechteck/Dreieck

Variabler DC-Anteil Dreiecksignal, +U muss nicht mehr gleich –U sein

Integratorzeitkonstante

Dreiecksymmetrie

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Sägezahn

Für jede Flanke eigener Pfad

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LogikbausteineSchmitt Trigger

CMOS, HCMOS, ACMOS

TTL

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LogikbausteineSchmitt Trigger

Verbesserung:

Unabhängiger von Speisespannung

Verbesserung:

Künstliche Erhöhung Eingangswiderstand

v.a. bei TTL notwendig

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TINA: Oszillator

Simulation: Problem wie merkt Tina dass Schaltung schwingfähig ist?

TINA Sim Bsp.: Schmitt Trigger Oszillator für 800 Hz

Inv. Schmitt Trigger aus Leiste Gatter

- nicht Inverter benutzen !

- nicht logische IC‘s benutzen !

C1 1

n

R1 1M

VF1

+ VG1

U3 100k

U1 1 U2 0

R2 100k

VG1: 5 V 10 us Impuls

Simulationszeitauflösung stimulieren

Transientenanalyse: auf "Anfangsw erte verw enden" setzen

Simulationszeit 10 ms

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Logikbausteine - Linear

• Vor allem CMOS Logik Inverter sind recht ansprechende Analogverstärker

• Der Arbeitspunkt liegt in der Mitte der Versorgungsspannung

• Er wird mit hochohmigen Widerstand vom Ausgang zum Eingang (R1) eingestellt

• Die Verstärkung beträgt zwischen 20 und 1000 je nach Logikfamilie

• Die Stromaufnahme ist aber nicht mehr wie bei den Logikanwendungen tief

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Oszillator mit Invertern

Labiler Gleichgewichtszustand nach Power on V1 = VCC/2

Abhilfe : Mehr Phasenverschiebung zwischen Eingang und Ausgang

durch mehr Tore d.h. Verzögerung

Anschwingen als klassischer Oszillator leitet den Kippvorgang ein

Mindestens 3 Inverter:

Mehr als 360 Grad Phasendrehung möglich

Analoge Schaltung!

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TINA: Oszillator

Simulation: Problem wie merkt Tina dass Schaltung schwingfähig ist?

TINA Sim Bsp.: Oszillator mit 3 Invertern für 500 Hz

Inverter aus Leiste Gatter

- nicht logische IC‘s benutzen !

R1 1M

VF

1

+ VG1

1

U1 4069

1

U2 4069

1

U3 4069

VF2

C1 1

n

R3 1

M

VF

3

VF

4

VF5

U4 100k

R4 100k

Simulationszeitauflösung stimulieren

>= erw artete Frequenz

Transientenanalyse: auf "Anfangsw erte verw enden" setzen

Simulationszeit 5..10 ms

VG1: min. VS1 Volt, 10 us Impuls

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TINA: Oszillator

Andere Speisespannungen (v.a. für CMOS)

TINA Sim Bsp.: 9 Volt Oszillator mit 3 Invertern für 500 Hz

J1

J2

R1 1M

VF

1

+ VG1

1

U1 4069

Erde J2

Vcc J1

1

U2 4069

Erde J2

Vcc J1

1

U3 4069

Erde J2

Vcc J1

VF2

C1 1

n

R3 1

M

VF

3

VF

4

VF5

U4 100k

R4 100k

+

VS1 9

R2 100k

Simulationszeitauflösung stimulieren

>= erw artete Frequenz

Transientenanalyse: auf "Anfangsw erte verw enden" setzen

Simulationszeit 5..10 ms

VG1: min. VS1 Volt, 10 us Impuls

Referenzspannungen für Logikbaustein: Jumpers J1 und J2

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VCO

Ein Oszillator dessen Frequenz elektrisch veränderbar ist,

bezeichnet man als Voltage Controlled Oscillator

Eigenbau Schaltungsblock in CMOS IC 4046

Abb. 15:

• Aufladen von ext. Spannung via D2 mit R2 in der Zeitkonstante

• Entladen durch Gatter via D1 mit R1 in der Zeitkonstante

vin

19

Sägezahn

RC Ladeglied (17,18) oder Konstantstromquelle (19) lädt C

e-Funktion (17,18) oder lineare Rampe (19) am Gate-Eingang

Gate entlädt (17,19) oder lädt (18) C lediglich

Applikation: Wobbelspannungen, VCO Sweep, Ablenkspannungen

Fig (17,18,19)

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Praktikum Oszillator

Stecken und überprüfen der Formel aus AN-118 von Fairchild

Messen im

(DC mode):

vout

v2

v1

Vcc = +5 V

Design z.B.

f = 100 kHz

C = 100 pF

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Quarzoszillatoren

Bsp 10 MHz:

L = 25 mH

C = 0.01 pF

R = 65 ΩC0 = 5 pF

Ersatzbild Quarz: Serie- und Parallelschwingkreis

2 Resonanzfrequenzen nahe beieinander

Quarze vertragen keine grosse Verlustleistung ! max. 100 µW - 1 mW

q

ba

ba0 C

CC

CCC +

+=

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Quarzoszillatoren

Betriebsarten:

• in Serieresonanz als Kurzschluss bei Frequenz fser

• in Parallelresonanz f0 zwischen fser und fpar als L- Ersatz in LC-Oszillatoren

• bei fpar des Quarzes praktisch nie benutzt!

Aufgabe: Bestimme fser und fpar: L = 25 mH

C = 0.01 pF

R = 65 ΩC0 = 5 pF

Lösung: fser = 10‘065‘842 Hzfpar = 10‘075‘903 Hz

fpar

fser

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Quarzoszillatoren

-

inverting

Gatter arbeitet linear

R-C:

Phasenshift < 900

und

Strombegrenzung

L-C: Phasenshift < 1800

Inverter: Phasenshift 1800

Design: klassischer Oszillator mit Verstärker und Mitkopplung

Phasendrehung > 180 Grad durch R-C-L-C Netzwerk

Quarz „emuliert“ das L

Häufigste Schaltung

LC-Oszillator

24

Quarzoszillatoren

Formeln für diesen Oszillator

21

21L

CC

CCC

+=

q

ba

ba0 C

CC

CCC +

+=

Lastkapazität:

Quarz

CC

CCL2

1

C

C1ff

LC2

1f

CCC

tot

tottot

serosc

ser

L0tot

+π

=+=

π=

+=

Belastung des Quarzes in der Schaltung mit CL

CL setzt sich aus C1 und C2 in Serie zusammen

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Quarzoszillatoren

Aufgabe: Wo schwingt ein bei Distrelec bestellter

Quarz mit Serieresonanz 10 MHz, wenn man in mit

CL = 30 pF belastet?

Daten Quarz: fser = 10 MHz

C = 0.025 pF

R = 65 Ω

C0 = 5.5 pF

CL = 30 pF

Lösung: L = 10.132 mH f0 = 10‘003‘520.5 Hz

Formeln:

CC

CCL2

1

C

C1ff

LC2

1f

CCC

tot

tottot

serosc

ser

L0tot

+π

=+=

π=

+=

26

Quarzoszillatoren

27

Quarzoszillatoren

Design mit Quarz in Serieresonanz: nur mit TTL empfohlen

2 Gatter haben 3600 Drehung: Rückführung also nur 1 Drahtstück

Quarz spielt bei fser diesen frequenzselektiven Draht

Viel Empirie drin

fosc = fser

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QuarzoszillatorenTakterzeugung

Bis etwa 40 MHz Grundton, darüber Oberton Betrieb

Ausgangssignal bis etwa 40 MHz Logikpegel, darüber meist Sinus < 1V

Oszillatoren an Mikrokontrollern

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Praktikum: Beginner

Design: 2 MHz Quarz-Oszillator

2 MHz Quarz: RXTAL = 80 Ω

C0 = 4 pF

Designvorschlag:

R1 = 470 Ω (typ.)

CL2 = 47 pF (typ.)

CL1 = 22 pF (typ.)

RF = 1MΩ

kompakt aufbauen!

100nF Vcc Block Cap!

30

Praktikum: Advanced

Design: Safe working Test

Safety Factor:L

maxPOT

R

RSF =

SF > 3 ist safe, > 5 very safe

2

L

0XtalL

C

C1RR

+=

layout

L21L

2L1LL C

CC

CCC +

+=

Resonanz-Lastwiderstand RL:

Last Kapazität CL:

Beim Design:

Messen bis zu welchem Wert von RPOT Oszillator noch anschwingt RPOTmax

Test immer mit Power OFF beginnen!

Im definitiven Betrieb:

RPOT natürlich entfernen

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Klassische Sinus Oszillatoren

0=(s)A(s)-1 β⋅

Lösung suchen:

1=(s)A(s) β•

Schwingbedingung:

1))()((

0))()((

=⋅

=⋅

ssARE

ssAIM

β

β

A(s)·β(s) nennt man Schleifenverstärkung

s= jω

32

Wien Oszillatoren

Verstärker mit

Av = 1+R2/R1 …also 00 Shift

Mitkopplungsnetzwerk

muss somit auch 00 Shift haben

• Erreichbar mit CR-RC Bandpass

• T(s) berechnen

• Mittenfrequenz fr berechnen

• Dämpfung in Bandmitte bestimmen

(Resultat Faktor 3)

• Av etwas grösser wählen als

Dämpfung (z.B. 3.3)

• Ausgang Va benutzen (gefiltert Sinus)

33

Wien Oszillatoren

Praktisch: Abgleich R4: ist Av zu knapp: Risiko Abbruch der Schwingung

ist Av zu gross: Verzerrungen nehmen zu

Bei Av > min steigt Schwingung exponentiell an bis OpAmp in Sättigung geht

Da OpAmp dann auch unerwünschte Phasenshift erzeugt

ist es besser die Begrenzung mit Dioden selber extern vorzunehmen

34

Wien Oszillatoren

pCR

1+pCR+3

R

R+1

=Z+Z

Z]

R

R+[1=V

1

2

sp

p

1

2s •Schleifenverstärkung Vs:

CR

1=CR

o

o

ωω

1|=)(V| os ω

Phase wird 0 bei:

Amplitude bei ω0 wird 1 bei:

Normalform: 222

1

2s

pRC+CRp3+1

pCR]

R

R+[1=V ⋅

CR

1=oω

3=R

R1

1

2+

35

Phase Shift Oszillatoren

RC6=o

⋅

6ω

RF/RG = 29

Alternative: RC Hochpässe: 6 mal tiefere Frequenz, gleiche Vst.

RF/RG = 29

RC6=o

⋅

1ω

zugleich Filterwirkung gegen Oberwellen !

36

Phase Shift Oszillatoren

RC6=o

⋅

6ω

RF/RG = 29

Verbesserung (teurer): OpAmp Spannungsfolger nach jedem RC-Glied:

RC

3=oω RF/RG = 2*2*2 = 8

Einfache Berechnung: Jedes RC-Glied macht 600 Shift

Aufgabe: T(p) RC-Glied ? ω0 = ? Gain = ?

Lösung:RCj1

1)j(T

ω+=ω

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Praktikum TINA

Design: Wien-Oszillator für 1 kHz Sinus 2 Vpeak

CR

1=oω 3

R

RR1

5

34 ≥+

+

R5 = 10 k

R1 = R2=R

C1 = C2 = C

C = 100 n

„Starterquelle“

500 µs Pulsverwenden

FrequenzAmplitudePhaseOberwellen

FrequenzAmplitudePhaseOberwellen

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Zusammenfassung

2 Arten von Oszillatoren: Kippschaltungen und Klassisch

Kippschaltungen mit Schnitt Trigger realisieren (OpAmp oder Logik)

Inverter Logik mit mindestens 3 Invertern bauen (geeignet für höhere Frequenzen)

Bei Quarzoszillatoren arbeiten die Logik-Inverter im linearem Betrieb

Quarz: Serie- oder nahe Parallelresonanzbetrieb (L-Ersatz) möglich

Frequenz nur genau, wenn Lastkapazität = Spezifikation CL im Datenblatt

Reservefaktor ermitteln mit Seriewiderstand zum Quarz schützt vor Ausfall

Klassische Oszillatoren sind der Wien- und der Phasenschieberoszillator

Verstärker Implementation mit Transistoren oder OpAmp