Generator drgań jest układ, którego zadaniem jest wytwarzanie okresowego sygnału elektrycznego w sinusoidalnym , kwadratowym , piłę lub niezależnie od kształtu . Oscylator może mieć stałą lub zmienną częstotliwość . Istnieje kilka rodzajów oscylatorów elektronicznych; główne z nich to:
Najczęściej oczekujemy od oscylatora: albo stabilności częstotliwości jego oscylacji, albo stabilności obwiedni sygnału. Dlatego oscylatory dzielą się na dwa typy: oscylatory harmoniczne wytwarzające sygnał sinusoidalny i oscylatory relaksacyjne, używane raczej do pomiaru czasu lub synchronizacji procesów.
Oscylacje mogą być tworzone przez wykorzystanie pewnych efektów fizycznych, takich jak przetwarzanie impulsów elektrycznych przez diodę Gunna , której właściwości wykazują ujemny opór pozorny. W ten sposób możemy uzyskać bardzo proste sygnały.
Oscylator można wykonać podłączając wzmacniacz do odpowiednio skalibrowanej pętli sprzężenia zwrotnego . Uwzględniając warunki oscylacji określone przez kryterium stabilności Barkhausena , wzmacniacz podłączony do danej pętli częstotliwości wytwarza ciągły sygnał wibracyjny. Warunki te sprowadzają się do tego:
Zgodnie z teorią wzmocnienie sprzężenia zwrotnego, które tylko w niewielkim stopniu przekraczałoby 1, oznaczałoby nieokreślony wzrost amplitudy oscylacji; jednakże, aby obwód samoczynnie zaczął oscylować, wzmocnienie musi być większe niż 1 przy rozruchu (patrz wykres obok). Ta sprzeczność doprowadziła do określenia zachowania obwodów, gdy wchodzą one w oscylację (lub przestają oscylować), poprzez wykreślenie ich charakterystycznych krzywych działania. Wydaje się, że dwa zjawiska dyktują fizyczne zachowanie obwodów oscylacyjnych:
W rzeczywistości jednak amplituda oscylacji jest oczywiście ograniczona mocą zasilania obwodu.
Oscylatory sprzężenia zwrotnego składają się ze wzmacniacza i pasywnego dipola, którego odpowiedź zależy od częstotliwości. Wyjście wzmacniacza zasila dipol, a wyjście dipola jest samo podłączone jako wejście do wzmacniacza (pętla sprzężenia zwrotnego). Aby zrozumieć pochodzenie oscylacji, możemy pominąć sprzężenie zwrotne: zamiast obwodu otrzymujemy skojarzenie dwóch dipoli z wejściem (E) i wyjściem (A). Aby w obwodzie zamkniętym wystąpiły oscylacje, faza wyjściowego sygnału oscylacyjnego (φ3) musi pokrywać się z fazą sygnału wejściowego φ1 (stan fazy).
Gdy wzmacniacz wytwarza przesunięcie fazowe o 180 °, a jego odpowiedź jest natychmiastowa (zerowe opóźnienie lub opóźnienie), pasywny dipol musi wytworzyć, dla co najmniej jednej częstotliwości, komplementarne przesunięcie fazowe o 180 °, aby sygnał wyjściowy był w fazie ( 360 ° = 0 °) z sygnałem wejściowym. Zmiana przesunięcia fazowego dipola wraz z częstotliwością wejściową jest reprezentowana przez diagram fazowy.
W oscylatorach z przesunięciem fazowym dipol ma (co najmniej) trzy stopnie RC połączone szeregowo (filtr górnoprzepustowy lub dolnoprzepustowy). Jeśli każdy z tych etapów powoduje przesunięcie fazowe o 60 °, wystarczy mieć trzy z nich, aby uzyskać całkowite przesunięcie fazowe o 180 °. Gdy wzmacniacz nie jest nasycony, napięcie wyjściowe jest sinusoidalne.
Obwód oscylacyjny prądu upływowego może być wykonany z elementu o ujemnej rezystancji różnicowej: na przykład dioda tunelowa lub dioda Lambda , gdy są wzbudzone, dostarczają napięcie przemienne. Warunkiem jest, aby rezystancja obwodu była równa 0. Energia jest dostarczana przez generator lub baterię.
W przypadku innych topologii oscylatorów, opartych na przykład na odgałęzieniu charakterystyki nachylenia ujemnego, takich jak oscylator relaksacji, kryterium stabilności nie ma zastosowania.
Jakość oscylatora ogólnie ocenia się na podstawie jego stabilności amplitudy , częstotliwości i fazy . Kiedy nie można statystycznie określić oscylacji, mówi się o „ szumie tła ”. Jedynym prawdziwie niezależnym kryterium jest poziom fluktuacji ( zjawisko „jitter” ), które charakteryzuje czułość odbiornika superheterodynowego umieszczonego obok silnego źródła emitującego. Stabilność w stosunku do wahań temperatury i napięcia zasilającego również liczne i różne typy generatorów reaguje na varaible sposób: generatory częstotliwości NAND i oscylatory relaksacji, na przykład, zależy w dużym stopniu stabilność prądu zasilającego; podczas gdy w przypadku obwodów LC wpływ jest niewielki, a nawet pomijalny w przypadku oscylatorów kwarcowych.
W przypadku urządzeń pomiarowych innym istotnym kryterium jest oczywiście ich dokładność, która zależy od stabilności obwiedni . W przypadku oscylatorów harmonicznych można to ocenić po współczynniku zniekształceń . Niezbędny dla tego typu oscylatora parametr ten jest istotny dla wielu innych form sygnału.
Niemodulowane oscylatory służą do taktowania procesorów komputerowych lub zegarków kwarcowych .
W przypadku oscylatorów modulowanych, czasami utrzymuje się w precyzyjnych granicach amplitudę, częstotliwość lub fazę dzięki określonym obwodom. W ten sposób możliwe jest przesyłanie informacji poprzez modulację sygnału . Na przykład :
W oscylatorze rezonansowym częstotliwość sygnału jest określana przez obwód LC , kwarc lub ceramikę . Oscylator rezonansowy dostarcza sinusoidalny sygnał o stabilnej częstotliwości. Głównym obszarem zastosowania tych oscylatorów harmonicznych jest technologia radiowa.
Kilka zespołów umożliwia utworzenie oscylatora harmonicznego:
Magnetron spada również do tej kategorii, choć jest to głównie oscylator pętli opóźnienie.
Należy upewnić się, że rezonator ma wystarczająco wysoki współczynnik jakości , aby szerokość pasma uzyskiwanego sygnału była ograniczona przez bliskość częstotliwości rezonansowej: zmniejsza to liczbę harmonicznych w sygnale wyjściowym, gdy stopień wzmacniacza, powiedzmy tranzystor, jest nasycony i emituje wiele harmonicznych. Oscylatory rezonansowe (w przeciwieństwie do oscylatorów mostka Wien ) dostarczają quasi-sinusoidalny sygnał obwiedni, nawet bez stabilizacji amplitudy.
W oscylatorach pętli opóźniającej to czas trwania impulsów różnych gałęzi obwodu określa okres (a tym samym częstotliwość) sygnału wyjściowego. Generatora gniazdo , z kaskadowych falowniki stanowi dobry przykład; ale oscylatory, takie jak „odruch klistronowy ” lub oscylator z diodą Gunna, nadal mogą być zaliczane do tej kategorii , chociaż oba mają obwód oscylacyjny. W oscylatorach z przesunięciem fazowym okres sygnału jest określany przez stopień RC. Dziedzina oscylatorów opóźniających częściowo pokrywa się z dziedziną oscylatorów relaksacyjnych, ponieważ stopień RC tego ostatniego typu, który określa ich częstotliwość wyjściową, może również działać jako pętla opóźniająca.
Ich stabilność częstotliwości jest średnia.
Relaks oscylator jest obwód LC . Nie jest też obwodem oscylacyjnym sensu stricto, ponieważ nie generuje sygnału sinusoidalnego. Jego częstotliwość wyjściowa jest określana przez rozładowanie kondensatora przez stopień RC. Kiedy napięcie na kondensatorze osiągnie określony próg, napięcie wyjściowe jest odwracane (przełącza się) i kondensator ładuje się. Najpopularniejszymi obwodami tego rodzaju są astabilny multiwibrator i obwody LC. Dzięki precyzyjnemu dostrojeniu tych obwodów możemy dostarczać sygnały kwadratowe lub trójkątne . Ponieważ oprócz jakości stopnia RC, napięcie oscylacji różnych elementów decyduje o stabilności sygnału wyjściowego, oscylatory relaksacyjne są notorycznie mniej stabilne niż oscylatory rezonansowe i nie nadają się do inżynierii radiowej. Z drugiej strony ta niewielka niestabilność jest wykorzystywana do wytwarzania syren elektronicznych lub przetworników częstotliwości w metrologii .
Nowoczesne oscylatory patrząc w celu uniknięcia wad konwencjonalnych obwodów początku XX XX wieku (jako oscylator Meissner , w Hartley oscylatora lub generator Colpittsa ), które w przypadku niektóre składniki nieprecyzyjnie dostosowany generowania pasożytniczych oscylacji kilku GHz, mają tendencję do tłumienia przy niskich częstotliwościach lub wytwarzają zniekształconą obwiednię sygnału wyjściowego.
Jednym ze sposobów jest użycie pary różnicowej z dwoma tranzystorami . Na poniższych rysunkach przedstawiono wariant z tranzystorami NPN, który umożliwia (niezależnie od charakterystyki obwodów pasywnych i bez dodatku innych elementów) uzyskanie częstotliwości w zakresie od 50 kHz do 40 MHz . Drugi obwód wykorzystuje tranzystory PNP i przekazuje sygnały o częstotliwości od 1 Hz do 500 kHz . W tym oscylatorze obwód oscylatora jest pod napięciem zerowym, co jest zaletą (biegun ujemny jest ogólnie punktem odniesienia dla wszystkich pomiarów).
Jakość widma tego rodzaju oscylatora jest tym lepsza, że sprzężenie zwrotne jest słabe (to znaczy wystarczające do zainicjowania oscylacji). W przypadku wzmacniaczy różnicowych nasycenie amplitudy jest bardziej progresywne niż w przypadku pasywnych obwodów oscylacyjnych: ogranicza to obfitość harmonicznych.