Elektronika

Maturitní otázky

TEORIE OSCILÁTORŮ, KRYSTALOVÉ OSCILÁTORY

45.Teorie oscilátorů, krystalové oscilátory

Obecně jsou oscilátory všechna zařízení, která vytvářejí periodicky proměnné průběhy fyzikálních veličin.  Jsou to zařízení, které umí generovat napětí sinusového průběhu.

Princip činnosti : Oscilátor obsahuje zesilovač, který zesiluje vstupní napětí U₁, má na výstupu střídavé napětí U₂ = U₁, A_u s fázovým posunem j. Výstup je zatížen zátěží R_z a zpětnovazebním článkem. Toto má oproti napětí fázový posun b. Oscilátor je schopen kmitat, rovná-li se U₂ = U₁ a úhly j + b = 2.p.k, kde k = Z(0,1,2…)

1.        k . A_u = 1 – Amplitudová podmínka, oscilátor může kmitat pouze tehdy, jestliže pokles zesílení vyrovná zpětnovazební článek.

2.        j + b = 2.p.k, kde k = Z(0,1,2…) – Fázová podmínka, Kmitání se udrží tehdy, je-li výstupní napětí ve fázi se vstupním napětím.

Existují 3 případy :

a)       jestliže k . A_u < 1 – tlumené kmitání, amplituda klesá

b)       jestliže k . A_u = 1 – pro držení, amplituda je stejná

c)       jestliže k . A_u > 1 – pro start oscilátoru, amplituda roste

Při slabší zpětné vazbě se amplituda U₂ exponenciálně zmenšuje, při silnější se zvětšuje. Aby oscilátor po zapnutí mohl kmitat musí k . A_u > 1. Amplituda se exponenciálně zvětšuje až se zesilovač přebudí. Jestliže má být na výstupu sinusové U, je nutné nastavit regulaci U tak, aby k . A_u = 1, platilo dříve něž se zesilovač přebudí. Toho dosahujeme, jakostním kmitavým obvodem, aby bylo dosaženo dobré stability oscilační frekvence a musí být strmost fázové charakteristiky zpětnovazebního obvodu co největší, pak pro nahodilé změny fázového úhlu, existují nepatrné posuny frekvence. U sinusových oscilátoru s jednoduchou smyčkou se vyskytují i vyšší harmonické. Chceme-li zvýšit stabilitu, zavádíme více zpětnovazebních smyček. Frekvenční zpětná vazba je doplněna frekvenčně nezávislou nelineární zpětnou vazbou, která závisí na amplitudě vyráběného napětí A_u.(a₁+a₂)=1, kde a₂ je přenos frekvenčně nezávislé zpětné vazby a a₁ je přenos frekvenčně závislé zpětné vazby. Používá se u oscilátorů, které pracují jako frekvenční normály nebo tónové generátory. Podle druhu řídícího obvodu, který určuje oscilační frekvence, dělíme oscilátory na : 1) řízené LC dvojbranem, 2) řízené krystalem, 3) řízené RC dvojbranem.

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 f_s je nejmenší, při kmitočtu f_p, který je o málo větší než f_s je největší. Při kmitočtech vyšších než f_p je dochází ke zmenšení impedance. Je tedy zřejmé, že na kmitočtu f_s a v jeho okolí má rezonátor analogické vlastnosti se sériovým rezonačním obvodem a na kmitočtu f_p 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 10⁴ až 10⁵. Krystalové rezonátory (v komerční sféře nazývané pouze „krystaly“) se vyrábějí v širokém rozsahu kmitočtů. Výjimkou nejsou ani krystaly s relativně nízkým kmitočtem 32768 Hz, používané v obvodech digitálních hodin.

Obr. 7. Zapojení krystalových oscilátorů