نوسان ساز آرمسترانگ

قطعه الکترونیکی کریستال

نوسان ساز آرمسترانگ

انواع تقویت کننده ها :

2- امیتر مشترک C.E

3- کلکتور مشترک C.C

تقویت کننده های چند ترانزیستوری یا چند طبقه :

تقسیم بندی تقویت کننده های چند طبقه بر اساس نوع اتصال ( نوع کوپلاژ ) :

1- کوپلاژ R.C( کوپلاژ خازنی ) – هرگاه دو تقویت کننده توسط خازن به یکدیگر متصل شوند ، کوپلاژ را خازنی یا R.C می گویند .

2- کوپلاژ مستقیم یا D.C – هر گاه دو تقویت کننده مستقیما بهم وصل بشوند کوپلاژ مستقیم است .

3- کوپلاژ ترانسفورماتوری – در این کوپلاژ تقویت کننده ها توسط ترانس به هم متصل می شوند .

کلاس های تقویت کننده ها :

تقویت کننده های ترانزیستوری بر حسب چگونگی تقویت سیگنال ورودی به 4 کلاس تقسیم می شوند ، هر کلاس معین می کند چه قسمت هایی از موج ورودی به خروجی ظاهر می شود .

الف – تقویت کننده ی کلاس A – تقویت کننده ای که تمام قسمت های یک موج سینوسی را تقویت کند .

ب- تقویت کننده ی کلاس B – تقویت کننده ای است که فقط نیم سیکل از موج را تقویت می کند .

ج – تقویت کننده ی کلاس AB - این تقویت کننده کمی بیش تراز نیم سیکل را تقویت می کند .

د – تقویت کننده ی کلاس C – این تقویت کننده کم تر از نیم سیکل را تقویت می کند .

تقویت کننده های قدرت :

تقویت کننده های قدرت آنهایی هستند که توان قابل ملاحظه ای به خروجی منتقل می کنند ، به این تقویت کننده ها ، تقویت کننده ی POWER نوسان ساز آرمسترانگ نیز می گویند و معمولا در طبقه انتهایی مدار قرار می گیرند .

انواع تقویت کننده های قدرت :

1- تقویت کننده ی قدرت تک ترانزیستوری – اغلب در کلاس A کار می کنند و از طریق ترانس ( چوک بلندگو ) به بلندگو متصل می شوند .

2- تقویت کننده ی قدرت پوشپول ( جفت ترانزیستوری ) - از 2 ترانزیستور کلاس B برای تقویت کامل سیگنال استفاده می شود .

3- تقویت کننده دارلینگتون – از دو ترانزیستور بصورت دارلینگتون استفاده می شود که دو توع

4- تقویت کننده دارلینگتون – از دو ترانزیستور بصورت دارلینگتون استفاده می شود که دو توع NPN و PNP هستند .

5- پوشپول قرینه یا مکمل یا کمپلی منتاری

6- تقویت کننده تفاضلی – این مدار از دو ترانزیستور مشابه که در امیتر باهم مشترکند تشکیل شده است.

رگولاتورها ( تثبیت کننده ی ولتاژ )

در اغلب دستگاه های الکترونیکی مثل رادیو ، TV برای تأمین ولتاژ DC از مداری به نام منبع تغذیه استفاده می شود ، که برق شهر را به برق DC تبدیل می کند .

معمولا ولتاژ DC بدست آمده ، مقداری ریپل دارد ، همچنین ولتاژ خروجی در اثر تغییرات ولتاژ ورودی ( برق شهر ) و یا تغییرات جریان باز ( مصرف کننده ) تغییر می کند ، به همین دلیل به این ولتاژ DC بدست آمده ولتاژ رگوله می گویند . در یک منبع ایده آل ولتاژ خروجی باید مستقل از تغییرات ولتاژ ورودی و یا تغییرات جریان بار باشد ، به همین دلیل از مدارات رگولاتور ولتاژ برای تثبیت ولتاژ خروجی استفاده می کنند .

انواع رگولاتور ولتاژ :

الف – رگولاتور ساده

ب- رگولاتور ولتاژ موازی

ج- رگولاتور ولتاژ سری

نوسان ساز ها ( اسیلاتورها )

نوسان ساز مداری است که بدون اعمال سیگنال متناوب به ورودی آن و با استفاده از یک ولتاژ DC بتواند یکی از موج های متناوب AC مثل سینوسی ، مربعی ، دندان اره ای و مثلثی نوسان ساز آرمسترانگ را بسازد . مدارات نوسان ساز در دستگاه های سیگنال ژنراتور ، مدارات رادیو و تلویزیون و فرستنده ها کاربرد دارند .

انواع نوسان ساز های سینوسی :

1- نوسان ساز هارتلی

2- نوسان ساز آرمسترانگ

3- نوسان ساز کولپیتس

انواع نوسان سازهای غیر سینوسی :

1- مولتی ویبراتور بی ثبات یا آستابل

2- مولتی ویبراتور مونوآستابل ( 1 حالته )

3- مولتی ویبراتور بای آستابل ( دو حالته )

تقویت کننده های عملیاتی ( آپ امپ )

برای تقویت بیش تر در تقویت کننده ها از مدارات چند ترانزیستوری استفاده می شود . برای بیش تر کردن راندمان از مدارات پوشپول استفاده می شود و برای بیش تر کردن ضریب تقویت جریان از مدارات دارلینگتون و تقویت کننده های تفاضلی استفاده می شود .

یک تقویت کننده عملیاتی یا آپ امپ به مجموعه ای از یک یا چند تقویت کننده تفاضلی و یک سری تقویت کننده دیگر و انواع مداراتی که برای بهبود مشخصات تقویت کننده ی تفاضلی به کار می رود اطلاق می شود .

آپ امپ دو ورودی و یک خروجی دارد و در پایه ی تغذیه یک ورودی با علامت منفی مشخص شده به آن ورودی معکوس کننده می گویند . اگر سیگنالی به این ورودی داده شود با 180 درجه اختلاف فاز تقویت شده آن در خروجی ظاهر می شود . ورودی دیگر که با علامت مثبت مشخص شده به آن ورودی غیر معکوس کننده می گویند . اگر سیگنالی به این ورودی داده شود خروجی تقویت کننده است .

انواع تقویت کننده ی عملیاتی :

تقویت کننده ی عملیاتی جمع کننده ( معکوس ولتاژ )

تقویت کننده ی عملیاتی جمع کننده ( غیر معکوس ولتاژ )

تقویت کننده تفاضلی ( مقایسه کننده نوسان ساز آرمسترانگ یا تفریق کننده )

تقویت کننده ی عملیاتی خطی

تقویت کننده عملیاتی غیر خطی

فیلتر پایین گذر ( انتگرال گیر ) – یک مدار تقویت کننده ی آپ امپ با یک خازن در فیدبکش تشکیل یک مدار انتگرال گیر را می دهد . در این مدار اگر موج ورودی مربعی باشد ، خروجی موج مثلثی است .

فیلتر بالا گذر ( مشتق گیر )- اگر جای خازن ومقاومت را در مدار انتگرال گیر عوض شود مدار مشتق گیر می شود . در مدار مشتق گیر اگر ورودی موجی مثلثی باشد ، خروجی موجی مربعی است .

بررسی انواع نوسان سازها – اسیلاتور ساده

با توجه به همفاز بودن موج ورودی و موج نمونه گیری شده، خروجی مدار به حالت ناپایدار در خواهد آمد.

نوسان سازها به دو نوع اصلی تقسیم می شوند:

۱- نوسان ساز خطی یا هارمونیک

۲- نوسان ساز غیرخطی یا رلاکسیون.

نوسان ساز خطی

نمودار بلوکی یک نوسان ساز خطی پس خورد، تقویت کننده A با خروجی ولتاژش از طریق

یک فیلتر به ورودی ولتاژش فید بک می‌شود. نوسان ساز هارمونیک، یا خطی یک خروجی

سینوسی تولید می‌کند. (دو نوع وجود دارد.)

نوسان ساز بازخورد

رایج ترین نوع یک نوسان ساز خطی، یک تقویت کننده الکترونیکی مثل یک ترانزیستور یا آپ

امپی است که در یک حلقه وصل شده به گونه‌ای که خروجی آن از طریق یک فیلتر الکترونیکی

مناسب فرکانس برای تولید بازخورد مثبت به ورودی اش پس خورد می‌شود.

وقتی توان به تقویت کننده تحویل داده می‌شود و برای اولین بار وصل می‌شود، نویز الکترونیکی

در مدار یک سیگنالی را به وجود می اورد تا نوسان سازی شروع شود،نویز در حلقه می‌چرخد و

تقویت می‌شود نوسان ساز آرمسترانگ و فیلتر می‌شود تا خیلی سریع به یک موج سینوسی با فرکانس واحد تبدیل می‌شود.

در مدار نوسان ساز RC، فیلتر شبکه از مقاومت‌ها و خازن هاست ،نوسان سازهای RC بیشتر

برای تولید فرکانس‌های پایین تر استفاده می‌شوند، به عنوان مثال در محدوده صوتی.

انواع رایج نوسان سازهای RC، نوسان ساز تغییر فاز و نوسان ساز پل ویناست.

بررسی انواع نوسان سازها

در مدار نوسان ساز LC، فیلتر یک مدار تشدید (اغلب مدار مخزنی نامیده می‌شود) شامل یک القاگر( L ) و خازن( C ) که به هم وصل هستند، است . بار بین صفحه‌های خازن از طریق القاگر جلو و عقب می‌رود و جابه جا می‌شود، بنابراین مدار تشدید می‌تواند انرژی الکتریکی نوسانی را در فرکانس تشدیدش ذخیره کند.

در یک مدار نوسان ساز کریستالی، فیلتر یک کریستال فیزو الکتریک ( معمولا یک کریستال کوارتز )است. کریستال به طور مکانیکی مثل یک تشدیدگر می‌لرزد، و فرکانس لرزش ان، فرکانس نوسان ساز را تعیین می‌کند.

کریستال دارای عامل Q خیلی بالایی است، همچنین پایداری دمای بهتری نسبت به مدارهای میزان شده دارد، بنابراین نوسان سازهای کریستالی پایداری فرکانس بهتری نسبت به نوسان سازهای LC و RC دارند.

آنها برای ثابت کردن فرکانس بیشتر فرستنده‌های رادیویی و برای تولید علامت زمان سنج در کامپیوترها و ساعت‌ های کوارتز استفاده می‌شوند.

نوسان ساز مقاومت منفی

نمودار بلوکی نوعی یک نوسان ساز مقاومت منفی. در بعضی نوع‌ها، دستگاه مقاومت منفی با مدار تشدید موازی وصل شده است. علاوه بر نوسان سازهای بازخوردی که در بالا توصیف شد که المان‌های فعال تقویت کننده با دو ورودی مثل ترانزیستور و آپ امپ استفاده می‌کنند، نوسان سازهای خطی هم می‌توانند با استفاده از دستگاه‌ هایی با یک ورودی ( دو ترمینال ) با مقاومت منفی مثل تیوب‌های ماگنترون، دیودهای تونلی و دیودهای کان ساخته شوند.

نوسان سازهای مقاومت منفی اغلب در فرکانس‌های بالا در محدودهمیکرو موجو بالا استفاده می‌شوند ، چون در این فرکانس‌ها نوسان سازهای بازخورد به طور ناچیز کار می‌کنند که باعث تغییر فاز زیاد در راه بازخورد می‌شود.

قطعه الکترونیکی کریستال

در نوسان سازهای مقاومت منفی، مدار تشدید، مثل مدار LC، کریستالی، یا تشدیدگر جعبه‌ای، در میان دستگاه با مقاومت دیفرانسیلی منفی وصل شده و ولتاژ DC بایاس برای فراهم شدن انرژی اعمال می‌شود.

مدار تشدید خودش تقریبا یک نوسان ساز است، اگر برانگیخته شود، می‌تواند انرژی را به عنوان نوسان الکتریکی ذخیره کند، اما چون مقداری مقاومت داخلی دارد یا سایر اتلاف‌ها، نوسانات میرا می‌شوند و به صفر افت می‌کنند.

در اثر ایجاد یک تشدیدگر با هیچ میرایی، که نوسانات پیوسته خود به خود در فرکانس تشدید تولید می‌کند، مقاومت منفی دستگاه‌های فعال، اتلاف داخلی مقاومت را در تشدیدگر لغو می‌کند.

مدارهای نوسان ساز خطی

نوسان ساز آرمسترانگ، نوسان ساز هارتلی، نوسان ساز کولپیتس، نوسان ساز کلاپ، نوسان ساز خط تاخیر، نوسان ساز شکست ( کریستال)، نوسان ساز تغییر فاز، نوسان ساز RC (پل وین و تی وین -تی )، نوسان ساز LC تزویج شده، نوسان ساز وکر، نوسان ساز نوری الکترونیکی، نوسان ساز تری -تت، نوسان ساز رابینسون، نوسان ساز پیرس، نوسان ساز میلر و نوسان ساز رلاکسیون

نوسان ساز غیرخطی یا رلاکسیون یک خروجی غیر سینوسی تولید می‌کند مثل موج مربعی ، دندان اره‌ای یا مثلثی .آن شامل یک المان ذخیره کننده انرژی (یک خازن، یا به ندرت یک القاگر) و یک مدار سویچ کننده غیرخطی ( یک بست، اشمیت تریگر، یا المان مقاومت منفی ) که به صورت دوره‌ای انرژی ذخیره شده در المان ذخیره کننده را شارژ و دشارژ می‌کند که باعث تغییر ناگهانی در شکل موج خروجی می‌شود.

نوسان ساز رلاکسیون موج مربعی برای تولید علامت زمان سنجی مدارهای منطق ترتیبی مثل ، تایمرها و شمارنده‌ها استفاده می‌شوند، اگرچه نوسان سازهای بلوری اغلب به خاطر پایداری بیشتر نوسان ساز آرمسترانگ ترجیح داده می‌شوند .

نوسان سازهای موج مثلثی یا دندان اره‌ای در مدارهای زمان مبنا که سیگنال‌های افقی برای لوله پرتو کاتدی در اسیلوسکوپ‌های انالوگ و دستگاه‌های تلویزیون تولید می‌کنند، استفاده می‌شوند. درفانکشن ژنراتورها این موج مثلثی ممکن است با یک تقریب نزدیک به شکل یک موج سینوسی درآید.

بررسی انواع نوسان سازها

مدارهای نوسان ساز رلاکسیون

لرزه گر مرکب – نوسان ساز حلقه‌ای – نوسان ساز خط تآخیر – نوسان ساز رویر

در یکی از این روش ها از نیروی جاذبه آهنربای الکتریکی می توان استفاده کرد، مانند آهنربای

الکتریکی در بلندگوی تلفن. جریانی از سیم پیچ آهنربای الکتریکی می گذرد که قطب های آن

طوری تنظیم شده است که در بخش مرکزی غشا قرار دارند، یعنی یک صفحه گرد آهنی در کنار آن نصب شده است.

نوسان های جریان موجب می شود که نیروی جاذبه وارد بر غشا نوسان کند. در نتیجه آن

غشا ارتعاش های واداشته انجام می دهد.

اگر هسته آهنربای الکتریکی دارای مغناطیس دائمی نباشد. یعنی فقط هنگامی غشا را

جذب کند که جریان از سیم پیچ می گذرد، تلفن نوسان ساز آرمسترانگ به مقدار زیاد صوت را خراب می کند.

در واقع برای هر جهت جریان در سیم پیچ، غشا به سمت هسته جذب می شود و بنابر این،

دوره نیرو وارد بر غشا برابر است با نصف دوره جریان متناوب در سیم پیچ. برای جلوگیری از این

مسئله، از آهنربای الکتریکی با هسته آهنربای دائم استفاده می شود.

در این شرایط نیز تبدیل نوسان های الکتریکی به ارتعاش های مکانیکی عاری از اختلال نخواهند بود.

شکل ارتعاش های غشا شکل نوسان های جریان را به طور دقیق تکرار نمی کند.

با وجود این، امکان استفاده عملی از چنین وسایل الکترو آکوستیکی ناشی از این واقیت است

که چنین اختلالاتی را می توان به قدر کافی کم کرد.

همان طور که با لامپ پرتوی کاتدی در مطلب قبل آشنا شده اید حال باید بدانید که یکی از

روش های دیگر تبدیل نوسان های جریان به ارتعاش های مکانیکی بر اساس چرخش پیچه

حامل جریان در میدان مغناطیسی استوار می باشد. این روش در طرح حلقه نوسان نگار

مهندسی برق

بطور کلی در مدارهای فیدبک دار بواسطه شبکه فیدبک قسمتی از سیگنال خروجی با سیگنال ورودی برای دستیابی به مقاصد مشخصی مخلوط می‌گردد. در مدارهای تقویت کننده که هدف بهبود و تثبیت و مشخصات تقویت کنندگی (یعنی مقاومت ورودی و خروجی و بهره ولتاژ و جریان ، پاسخ فرکانسی و عملکرد خطی تقویت کننده) است، عموما از فیدبک منفی استفاده می‌شود. اما نوسان سازهای با فیدبک ، تقویت کننده‌هایی هستند که خروجی انها بواسطه شبکه فیدبک مثبت به حالت ناپایداری ونوسان رسیده است. بوجود آمدن این حالت بدان علت است که شبکه فیدبک به صورت تشدید کننده (مثبت) و بر هم زننده پایداری و نه تثبیت کننده (منفی) پایداری تقویت کننده عمل نموده است.

با بیانی ساده فیدبک مثبت زمانی اتفاق می‌افتد که علاوه بر 80 درجه اختلاف فاز خروجی نسبت به ورودی تقویت کننده ، قسمت نمونه گیری شده موج در مسیر شبکه فیدبک و در اعمال به ورودی 180 درجه اختلاف دیگر یعنی مجموعا 360 درجه اختلاف فاز نسبت به ورودی پیدا می‌کند (هم فاز می‌شوند). بنابراین با توجه به همفاز بودن موج ورودی و موج نمونه گیری شده ، خروجی مدار به حالت ناپایدار در خواهد آمد.

نوسان سازهای رادیویی (Radioferq - RF)

نوسان سازهای رادیویی همانطور که از نامشان پیداست برای تولید امواج در محدوده فرکانسی رادیویی برای بکار گیری در مدارهای مخابراتی طراحی و ساخته می‌شوند. در این نوع نوسان سازها شبکه فیدبک به صورت LC ( سلف و خازن ) و بکار گیری سه روش پایه‌ای آرمسترانگ ، کولپیتس و هارتلی قابل پیاده سازی می باشند. بنا به خاصیت فیلتری مدارات LC و عبور دادن محدوده فرکانسی مشخصی از خود ، دستیابی به فرکانس مورد نظر شکل موج خروجی از طریق محاسبه مقادیر L و C شبکه فیدبک امکان پذیر می‌باشد.

بطوری که تنها موج با فرکانس تعیین شده می‌تواند از خروجی و از طریق مسیر فیدبک به ورودی اعمال گردد. این روزها به دلیل مشکلات طراحی از طریق مدار و دستیابی دقیق به فرکانس مورد نظر از عنصری به نام کریستال استفاده می‌گردد. کریستالها از مواد پیزو الکتریک که خاصیت جالبی دارند ساخته می‌شوند. این ویژگی عبارت است از اینکه هرگاه به این مواد ولتاژ الکتریکی اعمال شود شروع به لرزش و تکان مکانیکی ، با فرکانس مشخصی می‌نمایند و اگر به آنها لرزه وارد شود ولتاژ ضعیف الکتریکی تولید می‌نمایند. کریستالها علاوه بر نوسان سازهای رادیویی در سایر نوسان سازهای دیگر نیز به عنوان عنصر فرکانسی مهم و مطمئن کاربرد دارد و نقش خود را ایفا می‌نماید. نوسان سازهای رادیویی را در صورتهای مختلف ، بسته به محل بکارگیری این در سیستمهای مخابراتی و با محدوده فرکانسی متنوع رادیویی می‌توان دید.

نوسان سازهای منطقی

در سیستم دیجیتالی تولید پالس ساعت با شکل موج و فرکانس قابل قبول از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. برای تولید پالس ساعت مورد نیاز سیستم می‌توان از امکانات موجود در آی سی‌های TTL (سری 7400) و CMOS (سری 4000) به همراه قطعات جانبی استفاده نمود. در مواردی که اهمیت پایداری فرکانس در حداقل ممکن خود قرار می‌گیرد می‌توان مدار نوسان ساز را با استفاده از گیتهای منطقی ، مقاومت و خازن (RC) ساخت. در شکل زیر یک نمونه نوسان ساز پالس ساعت نوسان ساز آرمسترانگ CMOS را مشاهده می‌نمایند. در کاربردهای دقیقتر ، استفاده از کریستال به همراه مدار RC بسیار متداول می‌باشد. همانطور که گفته شد کریستالها در اطراف فرکانس کار خود ، نوسان می‌نمایند. بنابراین در طراحی این نوع مدارها تعیین مقدار C , R برای نوسان ساز آرمسترانگ بکار گیری صحیح کریستال مهم می‌باشد. در موارد حساستر مانند سیستمهای ریز پردازنده (میکرو پروسسوری) اغلب آی سی‌های پالس ساعت مخصوص چه به صورت مجزا و یا درون آنها ساخته می‌شود که کریستالها را در رابطه با آنها بکار می‌گیرند.

مسیر اصلی نوسان سازها

تا کنون صرف نظر از قسمت (شبکه) فیدبک نوسان سازهای با فیدبک در بخش مسیر اصلی نوسان سازها (قسمت تقویت کننده) مدارهای ترانزیستوری و منطقی را ملاحظه کردید. در بسیاری از موارد ، بکار گیری تقویت کننده‌های عملیاتی در این بخش می‌تواند علاوه بر ساده سازی مراحل طراحی ، امکان تولید شکل موجهای مختلف از قبیل سینوسی ، مربعی و مثلثی را ایجاد نماید. تقویت کننده‌های عملیاتی را اغلب با شبکه‌های RC به صورت نوسان ساز طراحی می‌نمایند. در شکل زیر نمونه‌ای از مدار نوسان ساز با استفاده از تقویت کننده عملیاتی و شبکه RC را مشاهده می نمائید.

تبدیل شکل موج سینوسی به مربعی

مدار مقابل می‌تواند با استفاده ورودی سینوسی آن را به شکل موج مربعی تبدیل نماید در واقع مدار فوق خود نوسان ساز آرمسترانگ به تنهایی به عنوان نوسان ساز شناخته نمی‌شود بلکه به عنوان مکمل نوسان ساز تلقی می شود.

تبدیل شکل موج مربعی به مثلثی

تقویت کننده‌های عملیاتی بکار رفته در مدارهای فوق بسته به محدوده فرکانسی موج و ملاحظات مداری می‌توانند متفاوت باشند. بطور مثال یکی از تقویت کننده‌های عملیاتی معمول LM399 است که می‌تواند با یک منبع تغذیه بر خلاف تقویت کننده عملیاتی 741 کار نماید که به عنوان یک امتیاز برای آن تلقی می‌گردد.

تحقیقات جامع در مورد اسیلاتور

با توجه به رشد سریع شبکه های مخابراتی بی سیم، ارتباط بسیار نزدیکی بین الکترونیک و مخابرات میدان پدید آمده است.در مخابرات ما با سیستم هایی کار می کنیم که احتیاج به فرکانس دقیق دارند تا از خطاهای جیتر که منجر به isi می شوند جلوگیری کنیم، با این کار هزینه ها بسیار پایین می آید و نیاز به تکرار کننده های دیجیتال کمتر می شود.بنابراین مهندسان الکترونیک با طراحی کردن نوسان سازه ایبا دقت فرکانسی بالا، خطی در گستره استفاده و دارای نویزکم به کمک مهندسان مخابرات می آیند.

این فرکانس دقیق از فرکانس کلاک در میکروپروسسورها تا تلفن های سلولی استفاده دارند و هر کدام از این کاربردها احتیاج به توپولوژی خود را دارد. در یکی احتیاج به توان بسیار پایین نیاز نیست ولی در عوض فرکانس دقیق مورد نیاز است و در دیگری برعکس. بنابراین یک مبادله در هر کاربرد وجود دارد.

در بخش سوم به بررسی VCO ها که موضوع اصلی این تحقیق است پرداخته شده است و به طور اجمالی ویژگی های ریاضی آنها و شرایطی که باعث می شوند آنها پرکاربرد باشند را شرح داده است. در بخش چهارم در مورد وکتور با مقاومت متغیر بحث می کند و مداراتی که به آنها ویژگی نزدیک به ایده آل می دهد و در بخش پنجم به وسیله چند روش ذکر شده در بخش های قبلی به بررسی یک نوسان ساز در گستره وسیع می پردازیم. قابل توجه است که بخش پنجم انشاء ا… در گزارش بعدی کامل خواهد شد و هدف اصلی در بخش پنجم تحقق پیدا خواهد کرد.

مبانی اسیلاتور LC

یک اسیلاتور LC ورودی DC را به خروجی AC تبدیل ‌‌‌می‌کند. این موج خروجی ‌‌‌می‌تواند شکل‌‌‌ها و فرکانس‌‌‌های متفاوتی داشته باشد و حتی از ترکیبی از اشکال به وجود آمده باشد.

اسیلاتورها در بسیاری از دستگاه‌‌‌ها برای تولید موج سینوسی، مربعی، دندان اره ای یا مثلثی به کار ‌‌‌می‌روند. اسیلاتورهای LC به طور گسترده در مدارات RF به کار ‌‌‌می‌روند چرا که مشخصه نویز فاز قابل قبولی دارند و به راحتی قابل پیاده سازی هستند.

یک اسیلتور به صورت پایه یک تقویت کننده ‌‌‌می‌باشد که دارای فیدبک مثبت است (فیدبک با موج ورودی هم فاز است) یکی از مشکلات اصلی در طراحی مدارات الکترونیکی این است که چگونه ‌‌‌می‌توان نوسان تقویت کننده‌‌‌ها را متوقف نمود اما در عین حال اسیلاتورها را به نوسان درآورد.

اسیلاتورها به این دلیل نوسان ‌‌‌می‌کنند که بر افت مدار فیدبک رزوناتورشان غلبه کرده‌‌اند. این مدارات یا از خازن یا از سلف و یا از هر دو این المان‌‌‌ها استفاده ‌‌‌می‌کنند و جریان DC با فرکانس دلخواه به این مدار رزوناتور اعمال ‌‌‌می‌شود. به عبارتی دیگر، یک اسیلاتور یک توقیت کننده است که از فیدبک مثبت برای ساخت فرکانس خارجی بدون نیاز به سیگنال ورودی استفاده ‌‌‌می‌کند.

بنابراین، اسیلاتورها مداراتی خود نگه دارنده هستند که یک خروجی متناوب را تولید میکنند. بنابراین، برای اینکه هر مدار الکترونیکی به عنوان اسیلتور عمل کند باید دارای 3 مشخصه زیر باشد:

یک اسیلاتور دارای تقویت‌کننده فیدبک سیگنال کوچک است و بهره حلقه باز دارد که برابر یا کمی‌ بزرگ تر از یک ‌‌‌می‌باشد تا نوسان آغاز شود اما برای ادامه نوسان میانگین بهره حلقه باید حتما برابر با یک باشد. در ضمن، علاوه بر استفاده از خازن و سلف، به یک المان تقویت کننده مانند تقویت کننده عملیاتی یا ترانزیستور دو قطبی نیز نیاز ‌‌‌می‌باشد.

بر خلاف تقویت کننده، در این جا به هیچ ورودی خارجی AC نیاز نیست چرا که جریان DC توسط اسیلاتور به جریان AC با فرکانس دلخواه تبدیل ‌‌‌می‌شود.

مدار ساده فیدبک اسیلاتور

در این جا β ضریب فیدبک ‌‌‌می‌باشد.

بهره اسیلاتور بدون فیدبک

در این جا A بهره ولتاژ حلقه باز است.

بهره اسیلاتور با فیدبک

β ضریب فیدبک

Aβ بهره ولتاژ حلقه

1-Aβ فاکتور مثبت فیدبک

Gv بهره ولتاژ حلقه بسته

در نتیجه اسیلاتورها مدارات الکتریکی هستند که یک خروجی ولتاژ پیوسته دارند. سلف، خازن یا مقاومت‌‌‌ها برای ساخت مدار رزونانس با فرکانس انتخابی استفاده ‌‌‌می‌شود. مدار رزونانس یک فیلتر پسیو ‌‌‌می‌باشد که اجازه ‌‌‌می‌دهد فرکانس دلخواه عبور کند.

شبکه فیدبک درصد کمی‌ از سیگنال خروجی را به ورودی بر‌‌‌می‌گرداند تا مدار از نوسان بازنیفتد. میزان فیدبک مثبت مدار باید به‌‌اندازه کافی بزرگ باشد تا بتواند بر افت توان مدار غلبه کند تا نوسان برای مدتی نامعلوم ادامه پیدا کند.

شبکه فیدبک مداری تقویت کننده است که بهره ولتاژ آن کمتر از یک ‌‌‌می‌باشد (β<1) نوسان هنگا‌‌‌می‌آغاز ‌‌‌می‌شود که Aβ>1 باشد و سپس هنگا‌‌‌می‌که شرایط نوسان پایدار شد، بهره به Aβ=1 باز‌‌‌می‌گردد. فرکانس اسیلاتورهای LC توسط یک مدار LC کنترل ‌‌‌می‌شوند و فرکانس خروجی، فرکانس نوسان نام ‌‌‌می‌گیرد. با تبدیل فیدبک نوسان سازها به یک شبکه راکتیو، زاویه فاز فیدبک به صورت تابعی از فرکانس تغییر ‌‌‌می‌کند که به آن شیفت فاز ‌‌‌می‌گویند.

به طور کلی چد نوع اسیلاتور وجود دارند:

• اسیلاتورهای سینوسی: که به آن‌‌‌ها اسیلاتورهای‌‌‌ هارمونیک گفته ‌‌‌می‌شود و به طور کلی به دو نوع LC یا RC تقسیم ‌‌‌می‌شوند.این نوع اسیلاتورها یک موج سینوسی خالص تولید ‌‌‌می‌کنند که دارای دامنه و فرکانس ثابت است.
• اسیلاتورهای غیر سینوسی: این اسیلاتورها که به نوسان‌سازهای آرام معروف ‌‌‌می‌باشند، ‌‌‌می‌توانند موج‌‌‌های غیر سینوسی با اشکال پیچیده را تولید کنند که به سرعت از یک وضعیت به وضعیتی دیگر ‌‌‌می‌روند و ‌‌‌می‌توانند به صورت موج مربعی، مثلثی و دندان اره‌ای دربیایند.

رزونانس اسیلاتور

هنگا‌‌‌می‌ که یک ولتاژ مثبت اما با فرکانس متغیر به یک مدار که شامل یک سلف، خازن و مقاومت است اعمال ‌‌‌می‌شود، راکتانس مدار مقاومت/خازن و سلف/مقاومت باعث تغییر دامنه و فاز سیگنال خروجی ‌‌‌می‌شود. در فرکانس‌‌‌های بالا، راکتانس یک خازن بسیار پایین است و مانند اتصال کوتاه عمل ‌‌‌‌‌‌می‌کند. در حالیکه راکتانس سلف بالاست و مانند مدار باز عمل ‌‌‌می‌کند. در فرکانس‌‌‌های پایین عکس این قضیه صادق ‌‌‌می‌باشد و خازن همانند مدار باز و سلف همانند اتصال کوتاه عمل ‌‌‌می‌کند.

بین دو حالت مدار باز و اتصال کوتاه، ترکیب سلف و خازن یک مدار میزان شده را به وجود ‌‌‌می‌آورد که یک فرکانس رزونانس دارد (f_r) که در آن راکتانس خازن و سلف یکسان ‌‌‌می‌باشد و ‌‌‌می‌توانند اثر یکدیگر را خنثی کنند. در این حالت، تنها مقاومت در مدار در برابر جریان قرار دارد و این بدان معناست که هیچ شیفت فازی وجود ندارد چرا که جریان و ولتاژ با یکدیگر هم فاز ‌‌‌می‌باشند. مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار یک اسیلاتور LC

این مدار شامل یک سیم‌پیچ القایی (L) و یک خازن (C) ‌‌‌می‌باشد. خازن انرژی را به شکل میدان الکترواستاتیک ذخیره ‌‌‌می‌کند که باعث به وجود آمدن اختلاف پتانسیل در طول دو صفحه‌اش ‌‌‌می‌شود. در حالیکه سلف انرژی را به صورت یک میدان الکترومغناطیسی ذخیره ‌‌‌می‌کند. خازن تا ولتاژ DC منبع شارژ ‌‌‌می‌شود. (در صورتی که سوییچ در موقعیت A قرار داشته باشد.) سپس هنگا‌‌‌می‌که خازن به صورت کامل شارژ شود، سوییچ در موقعیت B قرار ‌‌‌می‌گیرد.

حال خازن شارژ شده به صورت موازی به سیم‌پیچ القایی اتصال ‌‌‌می‌یابد. بنابراین، خازن شروع به دشارژ شدن از طریق سیم پیچ ‌‌‌‌‌‌می‌کند و ولتاژ در طول خازن افت ‌‌‌‌‌‌می‌کند. در همین حال، شدت جریانی که از سیم‌پیچ ‌‌‌می‌گذرد، رو به افزایش ‌‌‌می‌گذارد.

جریان در حال افزایش باعث افزایش میدان مغناطیسی حول سیم‌پیچ ‌‌‌می‌شود که متعاقبا در برابر عبور جریان مقاومت نشان ‌‌‌می‌دهد. هنگا‌‌‌می‌ که خازن C کاملا دشارژ ‌‌‌می‌شود، انرژی که در خازن ذخیره شده و از نوع انرژی الکترواستاتیک ‌‌‌می‌باشد، به صورت میدان مغناطیسی حول سیم‌پیچ حلول ‌‌‌می‌کند.

در این لحظه هیچ اختلاف پتانسیلی در مدار وجود ندارد تا بتواند جریان را در سیم‌پیچ حفظ کند. بنابراین شدت جریان به طور همزمان با میدان مغناطیسی رو به افول ‌‌‌می‌گذارد و یک نیرو محرکه القایی معکوس (EMF) در سیم پیچ نوسان ساز آرمسترانگ به وجود ‌‌‌می‌آید.( e=-L) که باعث ‌‌‌می‌شود عبور جریان در جهت اصلی نگه داشته شود.

این جریان خازن را در جهت معکوس شارژ ‌‌‌‌‌‌می‌کند. C تا جایی شارژ ‌‌‌می‌شود که جریان به صفر برسد و میدان مغناطیسی به طور کامل نابود شود.

انرژی که از طریق سوییچ وارد مدار شده دوباره به خازن برگشته و به صورت بار الکترواستاتیک روی دو صفحه آن ذخیره شده. حال خازن دوباره از طریق سیم‌پیچ شروع به دشارژ شدن ‌‌‌‌‌‌می‌کند و باعث ‌‌‌می‌شود که یک موج سینوسی AC به وجود بیاید.

این فرایند، اساس کار اسیلاتور‌‌‌های LC را تشکیل ‌‌‌می‌دهد و به صورت تئوری این چرخه تا ابد ادامه ‌‌‌می‌یابد اما از آن جایی که قطعات مدار ایده آل نیستند و دچار تلفات ‌‌‌می‌باشند، نوسان در طول زمان صفر خواهد شد.

در هر حال تبادل انرژی بین خازن و سلف در صورت ایده‌آل بودن قطعات تا بی‌نهایت ادامه ‌‌‌می‌یابد اما در عمل توان به دلیل مقاومت سیم‌پیچ و مقاومت دی‌الکتریک خازن افت ‌‌‌می‌کند. بنابراین، دامنه نوسان به تدریج افت ‌‌‌می‌کند تا کاملا متوقف شود.

بنابراین، در یک مدار LC واقعی، دامنه ولتاژ خروجی در هر نیم سیکل کاهش ‌‌‌می‌یابد تا سرانجام به صفر ‌‌‌می‌رسد. در این حالت، گفته ‌‌‌می‌شود که نوسان‌‌‌ها میرا شده‌‌اند و میزان میرایی توسط ضریب کیفیت (فاکتور Q مدار) تعیین ‌‌‌می‌گردد.