Dispositivi a semiconduttore - Oscillatori
Un oscillatore è un circuito elettronico che genera oscillazioni sinusoidali note come sinusoidal oscillator. Converte l'energia in ingresso da una sorgente CC in energia in uscita CA di forma d'onda periodica, a una frequenza specifica e con ampiezza nota. La caratteristica dell'oscillatore è che mantiene la sua uscita AC.
La figura seguente mostra un amplificatore con segnale di feedback anche in assenza di un segnale di ingresso applicato esternamente. Un oscillatore sinusoidale è essenzialmente una forma di amplificatore a retroazione, in cui requisiti speciali sono posti sul guadagno di tensioneAv e le reti di feedback β.
Si consideri l'amplificatore di retroazione della figura sopra, dove la tensione di retroazione V f = βV O fornisce l'intera tensione di ingresso
$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ (1)
$ V_i = A_V \ beta V_i $ Oppure $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)
Se deve essere prodotta una tensione di uscita, la tensione di ingresso non può essere zero. Quindi, affinché V i esista, l'equazione (2) lo richiede
$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ oppure $ A_V \ beta = 1 $ (3)
L'equazione (3) è nota come “Barkhausen criterion”, che stabilisce due requisiti fondamentali per l'oscillazione:
Il guadagno di tensione attorno all'amplificatore e al loop di feedback, chiamato guadagno del loop, deve essere unitario o $ A_V \ beta = 1 $.
Lo sfasamento tra $ V_i $ e $ V_f $, chiamato sfasamento del loop, deve essere zero.
Se queste due condizioni sono soddisfatte, l'amplificatore di retroazione della figura sopra genererà una forma d'onda di uscita sinusoidale in modo coerente.
Parliamo ora in dettaglio di alcuni tipici circuiti di oscillatori.
Oscillatore a spostamento di fase
Un circuito oscillatore che segue il progresso fondamentale di un circuito di feedback è l'oscillatore a spostamento di fase. Un oscillatore a spostamento di fase è mostrato nella figura seguente. I requisiti per l'oscillazione sono che il guadagno del loop (βA) dovrebbe essere maggiore dell'unità e lo sfasamento tra ingresso e uscita dovrebbe essere 360 o .
Il feedback viene fornito dall'uscita della rete RC all'ingresso dell'amplificatore. Lo stadio dell'amplificatore operazionale fornisce uno spostamento iniziale di 180 gradi e la rete RC introduce una quantità aggiuntiva di spostamento di fase. Ad una frequenza specifica, lo sfasamento introdotto dalla rete è esattamente di 180 gradi, quindi il loop sarà di 360 gradi e la tensione di feedback è nella tensione di ingresso di fase.
Il numero minimo di stadi RC nella rete di feedback è tre, poiché ogni sezione fornisce 60 gradi di sfasamento. L'oscillatore RC è ideale per la gamma di frequenze audio, da pochi cicli a circa 100 KHz. Alle frequenze più alte, l'impedenza di rete diventa così bassa da poter caricare seriamente l'amplificatore, riducendo così il suo guadagno di tensione al di sotto del valore minimo richiesto, e le oscillazioni cesseranno.
Alle basse frequenze, l'effetto di carico non è di solito un problema e gli elevati valori di resistenza e capacità richiesti sono prontamente disponibili. Utilizzando l'analisi di rete di base, l'oscillazione della frequenza può essere espressa come
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$
Oscillatore Wien Bridge
Un pratico circuito dell'oscillatore utilizza un amplificatore operazionale e un circuito a ponte RC, con la frequenza dell'oscillatore impostata da R e Ccomponenti. La figura seguente mostra una versione base di un circuito oscillatore a ponte di Vienna.
Notare la connessione bridge di base. I resistori R 1 e R 2 e i condensatori C 1 e C 2 formano gli elementi di regolazione della frequenza, mentre i resistori R 3 e R 4 fanno parte del percorso di feedback.
In questa applicazione, la tensione di ingresso (V i ) al ponte è la tensione di uscita dell'amplificatore e la tensione di uscita (V o ) del ponte è un feedback all'ingresso dell'amplificatore. Trascurando gli effetti di carico delle impedenze di ingresso e uscita dell'amplificatore operazionale, l'analisi del circuito a ponte risulta
$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$
e
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$
Se R 1 = R 2 = R e C 1 = C 2 = C, la frequenza dell'oscillatore risultante è
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$
Oscillatore Hartley
La figura seguente mostra l'oscillatore Hartley. È uno dei circuiti RF più comuni. Viene normalmente utilizzato come oscillatore locale in un ricevitore di trasmissione di comunicazioni. Il transistore a giunzione bipolare nella connessione emettitore comune è l'amplificatore di tensione ed è sollecitato da un circuito di polarizzazione universale costituito da R 1 , R 2 , R E . Il condensatore di bypass dell'emettitore (C E ) aumenta il guadagno di tensione di questo singolo stadio a transistor.
L'induttanza a radiofrequenza (RFC) nel circuito del collettore agisce come un circuito aperto alla frequenza RF e impedisce all'energia RF di entrare nell'alimentatore. Il circuito del serbatoio è costituito da L 1 , L 2 e C. La frequenza delle oscillazioni è determinata dal valore di L 1 , L 2 e C ed è determinata dalle oscillazioni alla frequenza di risonanza del circuito del serbatoio LC. Questa frequenza di risonanza è espressa come
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$
Il segnale di uscita può essere prelevato dal collettore mediante accoppiamento capacitivo, a condizione che il carico sia elevato e la frequenza di oscillazione non sia influenzata.
Piezoelettricità
Le proprietà piezoelettriche sono esibite da una serie di sostanze cristalline naturali, di cui le più importanti sono il quarzo, il sale di Rochelle e la tormalina. Quando una tensione sinusoidale viene applicata attraverso questi materiali, vibrano alla frequenza della tensione applicata.
D'altra parte, quando questi materiali vengono compressi e sottoposti a sollecitazioni meccaniche per vibrare, producono una tensione sinusoidale equivalente. Pertanto, questi materiali sono chiamati cristalli piezoelettrici. Il quarzo è il cristallo piezoelettrico più popolare.
Oscillatore di cristallo
Lo schema del circuito dell'oscillatore a cristallo è mostrato nella figura seguente.
Il cristallo qui agisce come un circuito sintonizzato. Di seguito viene fornito il circuito equivalente di un cristallo.
Un oscillatore a cristallo ha due frequenze di risonanza: frequenza di risonanza in serie e frequenza di risonanza parallela.
Frequenza di risonanza in serie
$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Frequenza di risonanza parallela
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$
Le due frequenze di risonanza sono quasi le stesse, poiché C / Cm è molto piccolo. Nella figura sopra, il cristallo è collegato per funzionare in modalità risonante parallela.
I resistori R 1 , R 2 , R E e il transistor insieme formano un circuito amplificatore. I resistori R 1 e R 2 forniscono una polarizzazione CC stabilizzata in tensione. Il condensatore (C E ) fornisce il bypass AC del resistore dell'emettitore (R E ) e l'RFC fornisce un'alta impedenza alla frequenza generata dall'oscillatore, in modo che non entrino nelle linee di alimentazione.
Il cristallo è in parallelo al condensatore C 1 e C 2 e permette la massima retroazione di tensione dal collettore all'emettitore, quando la sua impedenza è massima. Ad altre frequenze, l'impedenza del cristallo è bassa e quindi il feedback risultante è troppo piccolo per sostenere le oscillazioni. La frequenza dell'oscillatore è stabilizzata alla frequenza di risonanza parallela del cristallo.