Un oscilador de onda sinusoidal se refiere a un circuito que puede convertir automáticamente corriente continua en un voltaje (corriente) alterna sinusoidal de una frecuencia y amplitud específicas sin control de señal de entrada.
Clasificación
Los osciladores de onda sinusoidal se pueden dividir en dos categorías principales: uno es un oscilador de retroalimentación construido utilizando el principio de retroalimentación, que es actualmente el tipo de oscilador más utilizado; la otra; El tipo es el oscilador de resistencia negativa, que conecta directamente el componente de impedancia negativa al circuito resonante y utiliza el efecto de impedancia negativa del componente de resistencia negativa para compensar las pérdidas en el circuito, generando así una oscilación de onda sinusoidal.
1. Oscilador de onda sinusoidal LC
El oscilador de onda sinusoidal LC y el oscilador de onda sinusoidal LC de retroalimentación son los tipos de circuito principales del oscilador de onda sinusoidal LC. La red de selección de frecuencia LC es a la vez la carga del amplificador y parte de él es una red de retroalimentación positiva. Según las diferentes formas del circuito de retroalimentación, se puede dividir en tipo de retroalimentación de acoplamiento de transformador, tipo de retroalimentación de divisor de voltaje de inductor y tipo de retroalimentación de divisor de voltaje de condensador. La Figura 1 (a) y (b) muestran los circuitos del tipo de retroalimentación por división de voltaje del inductor y del tipo de retroalimentación por división de voltaje de capacitancia, respectivamente. En este circuito, los tres terminales del divisor de voltaje inductivo y el divisor de voltaje capacitivo están conectados a los tres electrodos del dispositivo electrónico respectivamente. También se le llama circuito de oscilación de tres terminales (o de tres puntos). El tipo de inductor de tres terminales también se llama circuito Hartley, y el condensador
La frecuencia de oscilación del oscilador LC está determinada por la frecuencia de resonancia de la red de selección de frecuencia: el bucle de oscilación LC. Cuando se reduce la frecuencia de operación, es necesario aumentar la inductancia y capacitancia del circuito de oscilación. Los inductores de gran inductancia y los condensadores de gran capacidad son grandes y voluminosos, por lo que los osciladores LC no son adecuados para bajas frecuencias y la frecuencia de funcionamiento generalmente no debe ser inferior a unos pocos cientos de kilohercios.
(1) Oscilador de cristal de cuarzo: para mejorar la estabilidad de frecuencia del oscilador, parte de la red de selección de frecuencia en el oscilador LC se reemplaza por un oscilador de cristal de cuarzo. Para garantizar que la frecuencia de oscilación del oscilador se genere bajo el control de un cristal de cuarzo, hay dos formas de conectar el cristal de cuarzo a la línea: una es reemplazar un inductor del oscilador LC con un cristal de cuarzo. , como se muestra en la Figura 2 (a). El cristal de cuarzo muestra reactancia inductiva después de que el circuito comienza a oscilar y forma un circuito de oscilación paralelo con el inductor L y el condensador C en el circuito. Este circuito se llama oscilador de cristal de cuarzo paralelo. La otra es conectar el cristal de cuarzo en serie en el circuito de retroalimentación positiva del amplificador, como se muestra en la Figura 2(b). En la frecuencia de resonancia en serie del cristal de cuarzo, el cristal de cuarzo presenta una impedancia muy baja, la retroalimentación positiva es la más fuerte y es fácil estimular la oscilación. Este circuito se llama oscilador de cristal de cuarzo en serie. Los osciladores de cristal de cuarzo a menudo se denominan simplemente osciladores de cristal.
(2) Oscilador de onda sinusoidal LC de resistencia negativa: un oscilador de onda sinusoidal compuesto por un dispositivo con resistencia microvariable negativa y una red de selección de frecuencia LC. Dependiendo de las características del dispositivo de resistencia negativa utilizado, la composición del circuito es diferente. Cuando se utiliza un dispositivo controlado por corriente, se requiere que la fuente de alimentación de CC tenga una alta resistencia interna, y el dispositivo debe formar un circuito de oscilación en serie con el componente LC; cuando se utiliza un dispositivo controlado por voltaje, la fuente de alimentación de CC es; Se requiere que tenga una resistencia interna baja y el dispositivo debe estar conectado al componente LC. Los componentes forman un circuito oscilante paralelo. Los dispositivos de tipo flujo típicos utilizados para formar un oscilador de onda sinusoidal LC de resistencia negativa son transistores de avalancha, y los dispositivos controlados por voltaje típicos incluyen diodos de túnel.
2. Oscilador de onda sinusoidal RC. La frecuencia de oscilación del oscilador de onda sinusoidal RC es inversamente proporcional al producto del elemento de red de selección de frecuencia RC. Reducir la frecuencia de oscilación aumentando el valor de la resistencia no aumentará el tamaño y el peso de los componentes como ocurre con el aumento de la inductancia en el oscilador LC, por lo que el oscilador RC puede funcionar en la banda de baja frecuencia. El circuito oscilador RC más utilizado es el circuito puente de Viena que se muestra en la Figura 3. En la figura, R1, C1, R2 y C2 forman una red de retroalimentación positiva con características selectivas de frecuencia. R3 y R4 forman una red de retroalimentación negativa. Si la retroalimentación negativa introducida excede la retroalimentación positiva, se puede reducir el componente armónico de la frecuencia de operación, se puede reducir la distorsión de la forma de onda y se puede mejorar la forma de onda. Si se selecciona R3 como una resistencia con un coeficiente de temperatura positivo, o se selecciona R4 como una resistencia con un coeficiente de temperatura negativo y resistencia térmica, se puede lograr el efecto de estabilización de amplitud.
Cuando la frecuencia de oscilación se extiende a la banda de frecuencia ultrabaja, se requiere que el producto RC sea muy grande. Un condensador con una gran capacidad es voluminoso; una resistencia con un valor de resistencia excesivo tendrá una estabilidad de resistencia reducida y la caída de voltaje de CC en la resistencia será demasiado grande, lo que provocará que el punto de funcionamiento del dispositivo se desvíe del valor normal y aumente la distorsión de la forma de onda.
El oscilador de onda sinusoidal RC integral puede superar esta deficiencia hasta cierto punto. La frecuencia de oscilación de este oscilador es inversamente proporcional a la constante de tiempo de integración del integrador que conforma el oscilador. Para obtener una constante de tiempo de integración grande, no es necesario utilizar una resistencia de gran valor. Utilice resistencias de baja resistencia para formar una red en forma de T para reemplazar las resistencias integradoras de alta resistencia. Siempre que las conductancias de transmisión de los dos sean iguales, se puede lograr el mismo efecto integrador. El oscilador de onda sinusoidal RC integral es especialmente adecuado para bandas de frecuencia ultrabajas.
En los osciladores RC, la introducción de retroalimentación negativa puede reducir la distorsión y mejorar la estabilidad de la frecuencia. La estabilidad de frecuencia del oscilador de onda sinusoidal RC es generalmente del orden de 10 a 10. Dado que el rendimiento de selección de la red de selección de frecuencia RC no es tan bueno como el de la red LC A, los dispositivos electrónicos en el oscilador RC deben funcionar en Clase A para garantizar una distorsión de forma de onda suficientemente pequeña. En el oscilador RC, se utiliza una alimentación de suma negativa no lineal diferida para lograr la estabilización de la amplitud. La no linealidad de la retroalimentación negativa es que la retroalimentación negativa cambia con la amplitud de la señal. A medida que aumenta la amplitud de la señal, aumenta la retroalimentación negativa, lo que impide que aumente la amplitud. La inercia se manifiesta en el hecho de que la retroalimentación negativa no cambia con el valor instantáneo de la señal para evitar introducir distorsión. Cuando la frecuencia de oscilación no es muy baja (por ejemplo, por encima de 1 Hz), se forma un circuito de retroalimentación negativa con un socio entusiasta para lograr una retroalimentación negativa no lineal inerte. Cuando la frecuencia de oscilación es muy baja (por debajo de 1 Hz) y la inercia del componente térmico no es suficiente, se puede detectar la señal de salida del oscilador y el voltaje de detección se puede utilizar como voltaje de retroalimentación negativa para lograr la estabilización de amplitud. Confíe en la selección razonable de la constante de tiempo de la carga de detección para cumplir con las características necesarias.
Medidas para mejorar la estabilidad de frecuencia y la estabilidad de amplitud. En el oscilador de onda sinusoidal LC, se utiliza el método de aumentar el valor Q del circuito de oscilación LC para reducir el impacto de factores externos en el uso de la frecuencia de oscilación; Dispositivos de debilitamiento y circuitos de oscilación. El método de acoplamiento reduce el impacto de la impedancia de salida del dispositivo en el valor Q del bucle y la capacitancia total del bucle. Los circuitos típicos que mejoran la estabilidad de la frecuencia incluyen los circuitos Seiler y los circuitos Clapp. Generalmente, la estabilidad de frecuencia del oscilador LC es del orden de 10; para los circuitos de oscilación convencionales de cristales de cuarzo, la estabilidad de frecuencia se puede mejorar de 10 a 10 órdenes de magnitud colocando el circuito de oscilación en un baño de temperatura constante; la estabilidad se puede mejorar a 10 a 10 órdenes de magnitud. En el oscilador se utiliza un voltaje de polarización inversa autogenerado para estabilizar la amplitud y aumentar el valor Q del circuito de oscilación para reducir la distorsión de la forma de onda.
Aplicaciones
Los osciladores de onda sinusoidal se utilizan ampliamente en diversos dispositivos electrónicos. En tales aplicaciones, los requisitos impuestos al oscilador son la precisión y la estabilidad de la frecuencia de oscilación y la amplitud de oscilación. Otro uso de los osciladores de onda sinusoidal es como fuente de energía alterna sinusoidal en equipos de calefacción de alta frecuencia e instrumentos médicos de electroterapia. En este tipo de aplicación, el principal requisito para el oscilador es generar suficiente potencia alterna sinusoidal con alta eficiencia, mientras que la precisión y estabilidad de la frecuencia de oscilación generalmente no son estrictas.
El oscilador de onda sinusoidal se puede utilizar como parte integral del dispositivo o como un dispositivo separado. En los equipos de comunicación, si la frecuencia portadora y la frecuencia de oscilación local están por encima de varios cientos de kilohercios, generalmente se utilizan osciladores de onda sinusoidal LC. La frecuencia de funcionamiento del oscilador de onda sinusoidal LC de resistencia negativa es superior a 100 MHz. Cuando se requiere una estabilidad de frecuencia muy alta, se utiliza un oscilador de cristal de cuarzo. Para diversas alarmas acústicas, vibración, tono de marcado, ocupado y otras señales en equipos de comunicación telefónica, la frecuencia de oscilación está en el rango de tonos y se utiliza un oscilador de onda sinusoidal RC. La fuente de señal de onda sinusoidal para pruebas requiere amplitud y frecuencia ajustables y debe tener una cierta capacidad de carga. Este tipo de instrumento de prueba como fuente de señal se compone principalmente de osciladores, así como de circuitos auxiliares como amplificadores y atenuadores. Los hornos de alta frecuencia y alta potencia tienen requisitos muy bajos de estabilidad de frecuencia. Por lo general, utilizan un tubo de electrones de alta potencia para formar un circuito de oscilación y obtienen energía directamente del campo electromagnético en la bobina inductora del circuito de oscilación.