Ch. 16 Oscillators
발진기 (Oscillator) 발진기 : 전원이인가된상태에서외부의입력신호없이회로자체의동작에의해특정주파수의신호 ( 정현파, 구형파, 삼각파, 톱니파 ) 를생성하는회로 종류 : 귀환 발진기 (Feedback oscillator), 이완 발진기 (elaxation oscillator)
귀환발진기 귀환발진기 : 출력신호의일부분이위상변이없이입력으로인가되어출력을강화 정귀환이용 구성 : 증폭기, 정귀환회로 ( 위상변이와감쇠 )
이완발진기 이완발진기 : C 회로를사용하여구형파등과같은정현파이외의파형발생 - 귀환이용안함 - 구성 : 슈미트트리거회로나저항을통한캐패시터의충전과방전을위한소자
귀환발진기 정귀환이용 정귀환 : 증폭기출력일부가위상변위없이입력에되돌려져서출력을보강 180 위상변위
귀환발진기 발진조건 위상변위 : 0 폐루프이득 A cl = 1 ( = A v B ) A v B = 1 0 위상변위 감쇠율
귀환발진기 시동 (Start-up) 조건 직류전압이처음인가되었을때발진이일어나기위한조건직류전원인가시에 A cl > 1일때출력이원하는레벨까지증가하면출력을일정하게유지하도록 A cl = 1로감소하여유지
Oscillators with C feedback circuits 정현파발진 종류 : Wien-bridge oscillator, phase-shift oscillator, twin-t oscillator Wien-bridge oscillator 가가장널리사용 주파수범위 : 대개 1MHz 까지
Wien-bridge oscillator 윈브리지발진기 (Wien-bridge oscillator) 정현파발진기진상-지상 (lead-lag) 회로로구성 : 지상회로 : 1, C 1 - 고주파에서 roll-off (low-pass filter) 진상회로 : 2, C 2 - 저주파에서 roll-off (high-pass filter) 공진주파수 (resonance freq.)
Wien-bridge oscillator 기본회로 부귀환루프 부귀환루프 정귀환루프 정귀환루프
V a Wien-bridge oscillator 2 1 1 ) ( ) ( ) ( s V s V s A a out cl + = = Z Z Z s V s V s B C C C out a // ) ( // ) ( ) ( ) ( + + = = Z Z Z s B s A s L C C C cl // ) ( // ) (1 ) ( ) ( ) ( 2 1 + + + = = 부귀환루프정귀환루프 3 = 4 = C 1 = C 2 = C 2 2 2 2 1 3 1 ) (1 ) ( C s sc sc s L + + + = sc Z C / 1 = 이므로,
Wien-bridge oscillator 발진조건 : L = A cl B = 1 0 s = jw를대입하면, 1 jwc L( jw) = (1 + )( ) 2 2 2 1 w C + 3 jwc 2 L( jw 0 ) 2 jw0c = (1 + )( ) = 1 0 2 2 2 1 w C + 3 jw C 1 0 0 위상조건 : 1 w 2 2 2 0 C = 1 3 진폭조건 : (1 + 2 )( ) = 1 1 0 w 0 =1/ 2 / 1 = C 2
Wien-bridge oscillator 발진을위한정귀환조건 위상변위 : 0 공진주파수 f r 에서 폐루프이득 : A v B = 3 (1/3) = 1
Wien-bridge oscillator 시동을위한조건 발진이일어날때까지폐루프이득 3 보다커야함 (A cl > 3) 발진일어난이후 : A cl = 3 유지
Wien-bridge oscillator - 시뮬레이션 1 40% a =20kΩ, b =30kΩ 1. 1 40% 이하에서동작후에 a 20kΩ, b 30kΩ A cl > 3 ( 시동조건 ) 2. 1 = 40% 고정 A cl = 3
Wien-bridge oscillator - 시뮬레이션 1 A cl 40% a =20kΩ, b =30kΩ a + b + 2 k + 30k + 10k = = = 3 20k a 1. 1 40% 이하에서동작후에 a 20kΩ, b 30kΩ A cl > 3 ( 시동조건 ) 2. 1 = 40% 고정 A cl = 3
Wien-bridge oscillator 시동을위한조건 발진을유지하는방법 ( 예 ) 1. 직류전압이처음인가되었을때 - 부귀환회로 : Zener Diode 들개방 (open) > 3 - 정귀환회로 : 공진주파수 f r 에서위상변위 0 2. V out > V z : Zener Diode 들단락 (short) 문제점 : Non-linerity (Zener diode) 3. V out 발진유지
Wien-bridge oscillator
Wien-bridge oscillator - A better method to control the gain uses a JFET as a voltage-controlled resistor in a negative feedback path - A JFET operating with a small or zero V DS is operating in the ohmic region. As the gate voltage increases, the drain-source resistance increases. Automatic gain control can be achieved because of this voltagecontrolled resistance.
Wien-bridge oscillator EXAMPLE 16 1 f r, f? Internal drain-source resistance, of the JFET is 500 Ω when oscillations are stable =3
Phase-Shift Oscillator 위상변이발진기 (Phase-Shift Oscillator): 정현파귀환발진기 (sinusoidal feedback oscillator) - 1개 C 최대위상지연 = 90 -위상변위 : 0 공진주파수 f r 에서 -A - 3개 C 위상지연 180 로하면 v B = 1 - 연산증폭기위상지연 180 + 3개 C 위상지연 180 = 360 발진 A B v > = B = f i 3 f B = 1 = 29 f 3 B = 1 세개 C 귀환회로감쇠율
Phase-Shift Oscillator EXAMPLE 16 2 f r, f?
Phase-Shift Oscillator - 시뮬레이션
Twin-T Oscillator 트윈 T- 형발진기 (Twin-T Oscillator): 두개의 T 형 C 필터채용 LPF + HPF : Band-Stop Filter(notch filter) f r 에서공진
Oscillators with LC feedback circuits 윈브리지발진기 : f r < 1 Mhz LC 귀환발진기 (LC feedback oscillator): f r ( 고주파발진 ) 연산증폭기주파수제한으로 BJT, FET 을사용되기도함 > 1 Mhz 종류 : 콜피츠 (Colpitts), 클랩 (Clapp), 하틀리 (Hartley), 암스트롱 (Armstrong), 수정발진기 (crystal-controlled) oscillators
Colpitts Oscillator Colpitts 가발명 LC 귀환회로 : 위상변이 + 공진필터 공진주파수 C 1 과 C 2 는직렬
Colpitts Oscillator 발진과시동조건 LC 탱크회로귀환감쇄율 B: C 1, C 2 값에의결정 - 초기시동조건 : A v B > 1 A v > C 1 /C 2
Colpitts Oscillator 귀환회로의부하가발진주파수에미치는영향 증폭기의입력임피던스 Z in 이 LC 탱크회로 ( 공진귀환회로 ) 의부하로동작 회로의 Q 를감소 발진주파수감소 (Q 값에의존 ) - Q > 10 : - Q < 10 : f r 현저히감소
Colpitts Oscillator FET 을이용한콜피츠발진기 FET 이입력임피던스가높기때문에임피던스부하효과를최소화가능
Colpitts Oscillator 콜피츠발진기외부부하효과 외부부하 Q 감소 f r 감소 해결방안 : 변압기결합
Colpitts Oscillator- 예제 16-3 예제 16-3: f r? ( 단, 귀환회로부하효과무시, Q >10) Q = 8 로감소 f r?
Colpitts Oscillator 공진필터 L 1 = 50 mh f r = 7.1kHz L 2 = 5 mh f r = 22.4kHz
Colpitts Oscillator- 예제 16-3 L 1 = 50 mh f r = 8.69kHz L 1 = 5 mh f r = 24.8kHz
Clapp Oscillator 클랩발진기 (Clapp Oscillator): 콜핀츠발진기의변형 C 1, C 2, C 3 는직렬 - C 1 과 C 2 는접지와연결 - C 1 은 BJT C be 와병렬 - C 2 는 BJT C ce 와병렬 - C 1 과 C 2 는 BJT 와기생캐패시터영향받음 - C 3 은영향없어서 C 3 로정확하고안정된발진주파수발생
Clapp Oscillator 공진필터 f r 1 1 C T = = = 0.0048uF 1 1 1 1 1 1 + + + + C C C 0.1u 0.01u 0.01u f 1 2π 1 LC 2 T 3 r = = = 2π 1 (50m)(0.0048u) 10.3kHz
Hartley Oscillator 하트리발진기 (Hartley Oscillator) - 초기시동조건 : A v B > 1 A v > L 2 /L 1 회로의 Q 를감소 발진주파수감소 (Q 값에의존 )
Hartley Oscillator 공진필터 L T = L1 + L2 = 50m + 50m = 100mH f r f 2π 1 r = = = L T C 2π 1 (100m)(0.01u ) 5kHz
Armstrong Oscillator 암스트롱발진기 (Armstrong Oscillator): 귀환회로에변압기결합 2 차코일 : 재생코일 (tickler coil)