اسیلاتور هارتلی

اسیلاتور هارتلی یک مدار مخصوصاً مفید برای تولید سیگنال های موج سین با کیفیت خوب در محدوده RF ، (30kHz تا 30 مگاهرتز) است ، اگرچه در حد بالاتر این محدوده و بالاتر ، نوسان ساز Colpitts معمولاً ترجیح داده می شود. اگرچه هر دو اسیلاتور نوسان ساز از مدار LC تنظیم شده (مخزن) برای کنترل فرکانس نوسان ساز استفاده می کنند ، می توان با استفاده از یک سلف ضربه خورده (L1 و L2 در شکل 2. 1. 1) ، طراحی هارتلی را تشخیص داد.

فرکانس نوسان را می توان به همان روش هر مدار رزونانس موازی محاسبه کرد ، با استفاده از:

جایی که l = l₁ + L₂

این فرمول اساسی در جایی که القاء متقابل بین L باشد کافی است₁و من₂ناچیز است ، اما هنگام القاء متقابل بین L باید اصلاح شود₁و من₂قابل توجه است

القاء متقابل در اسیلاتور هارتلی

شکل 2. 1. 2 سلف های مجهز به مرکز در یک هسته مشترک

القاء متقابل مقدار مؤثر دیگری از القاء ناشی از میدان مغناطیسی است که در اطراف یک سلف (یا یک قسمت از سلف ضربه خورده) ایجاد می شود و باعث ایجاد جریان در سلف دیگر می شود. هنگامی که هر دو سلف بر روی یک هسته مشترک زخم می شوند ، همانطور که در شکل 2. 1. 2 نشان داده شده است ، تأثیر القاء متقابل (M) می تواند قابل توجه باشد و القاء کل توسط فرمول محاسبه می شود:

مقدار واقعی M بستگی به این دارد که چگونه دو سلف به طور مغناطیسی همراه هستند ، که از جمله عوامل دیگر به فاصله بین سلف ها ، تعداد چرخش هر سلف ، ابعاد هر سیم پیچ و ماده هسته مشترک بستگی دارد.

شکل 2. 1. 3 سلف با اضافه کردن زمینه

با سلف های ثابت جداگانه ، همانطور که در شکل 2. 1. 3a ملاحظات القاء متقابل ساده شده است ، ابعاد و تعداد چرخش برای هر سلف ثابت است ، بنابراین ملاحظات اصلی فاصله فیزیکی بین سلف ها و جهت میدان های مغناطیسی آنها است. در عمل مقادیر اندک القاء القاء های مورد نیاز در RF میدان مغناطیسی بسیار کمی در خارج از مؤلفه ایجاد می کند و تنها در هنگام نصب در چند میلی متر از یکدیگر ، اثر القایی متقابل قابل توجه است ، همانطور که در شکل 2. 1. 3b نشان داده شده است.

شکل 2. 1. 4 سلف با زمینه های مخالف

این که آیا M ، در Henrys اندازه گیری شده و یا به احتمال زیاد میکرو هنری (μH) در نوسان سازهای RF اضافه می کند یا از القاء کل سلف های بسیار نزدیک نصب شده به قطبیت شمال و جنوب مزارع اطراف کویل های جداگانه L می افزاید یا کم می کند.₁و من₂اگر میدان های مغناطیسی هر دو در یک جهت باشند، اندوکتانس متقابل به اندوکتانس کل اضافه می شود، اما اگر میدان های مغناطیسی به گونه ای تنظیم شوند که در مقابل یکدیگر قرار بگیرند، مانند شکل 2. 1. 4، اثر اندوکتانس متقابل کاهش می یابد. اندوکتانس کل و بنابراین فرکانس کاری واقعی اسیلاتور را افزایش می دهد.

مقدار اندوکتانس متقابل در یک مدار با استفاده از دو سلف کوچک ثابت مانند مدار مشخص شده در ماژول اسیلاتورها 2. 2 حداقل است، و آزمایش ها نشان می دهند که سلف ها باید عملاً لمس شوند تا اثر قابل توجهی ایجاد کنند. خواه اندوکتانس متقابل بین سلف های کوچک فقط چند میکرو هنری را از فرکانس نوسانگر محاسبه شده یک نوسان ساز RF هارتلی کم یا اضافه کند، این معمولاً فقط فرکانس کاری را تا اندازه ای مشابه با مقداری که ممکن است توسط مقدار مولفه عادی ایجاد شود تغییر می دهد. تغییرات ناشی از تحمل اجزای نوسان ساز.

در نوسانگرهای هارتلی عملی که از سلف هایی با هسته مشترک استفاده می کنند، اثر القای متقابل می تواند بسیار بیشتر باشد و به ضریب جفت (k) بستگی دارد، زمانی که اندوکتانس متقابل تقریباً برابر با 100٪ باشد، مقداری بین 1 دارد. جفت مغناطیسی، و 0 زمانی که بین دو سلف جفت وجود ندارد.

شکل 2. 1. 5 هسته فریت قابل تنظیم

محاسبه یک مقدار نظری برای k به دلیل تعداد عوامل مؤثر بر جفت شدن متقابل، شامل برخی ریاضیات کاملاً پیچیده است، و این فرآیند اغلب به تصمیم گیری در مورد اینکه آیا جفت متقابل کمی وجود دارد کاهش می یابد، به طوری که کمتر از نیمی از شار مغناطیسی تولید شده توسط یک سیم پیچروی سیم پیچ دیگر تاثیر می گذارد. اگر چنین است، آنگاه k مقداری کمتر از 0. 5 در نظر گرفته می شود، و سلف ها به طور ضعیف جفت شده اند. متناوباً، اگر سلف هایی که هسته مشترکی دارند، فاصله بین آنها صفر باشد، گفته می شود که آنها «به خوبی جفت شده اند» و k مقداری بین 0. 5 و 1 در نظر گرفته می شود. در عمل هسته مشترک با چنین سلف ضربه خورده ای که در RF کار می کند. همانطور که در شکل 2. 1. 5 نشان داده شده است، فرکانس ها اغلب یک نوع متغیر هستند، به طوری که هر تغییر فرکانس ناشی از اندوکتانس متقابل را می توان با تغییر موقعیت هسته و اصلاح فرکانس نوسانگر تنظیم کرد.

مدار هارتلی

شکل 2. 1. 1 یک نوسان ساز معمولی هارتلی را نشان می دهد. فرکانس تعیین کننده مدار تنظیم شده رزونانس توسط L1/L2 و C3 تشکیل می شود و به عنوان امپدانس بار تقویت کننده استفاده می شود. این امر به تقویت کننده فقط در فرکانس رزونانس (روش 2 در مقدمه نوسان سازها) سود بالایی می بخشد. این نسخه خاص از مدار هارتلی از یک تقویت کننده پایه مشترک استفاده می کند ، پایه TR1 مستقیماً به 0V (تا آنجا که مربوط به سیگنال است) توسط C1 متصل می شود. در این حالت شکل موج ولتاژ خروجی در جمع کننده ، و سیگنال ورودی در امیتر در فاز است. این تضمین می کند که کسری از سیگنال خروجی که از بار جمع کننده مدار تنظیم شده به داخل امیتر از طریق خازن C2 تغذیه می شود ، بازخورد مثبت لازم را فراهم می کند.

C2 همچنین با مقاومت در برابر emitter R3 ثابت مدت طولانی را تشکیل می دهد تا میانگین ولتاژ DC متناسب با دامنه سیگنال بازخورد در انتشار TR1 فراهم شود. این مورد برای کنترل خودکار افزایش تقویت کننده برای افزایش حلقه بسته لازم 1 استفاده می شود.

مقاومت Emitter R3 جدا نمی شود زیرا از ترمینال Emitter به عنوان ورودی تقویت کننده استفاده می شود. پایه ای که از طریق C1 به زمین متصل می شود ، که در فرکانس نوسان ساز واکنش بسیار کمی خواهد داشت.

مدار تنظیم شده LC (مخزن)

شکل 2. 1. 6 مدار مخزن

مدار LC که فرکانس نوسان را کنترل می کند ، اغلب "مدار مخزن" نامیده می شود زیرا حاوی جریانهای در گردش بسیار بیشتر از جریان تأمین کننده آن است (به عنوان مثال پالس جریان جمع کننده تهیه شده توسط تقویت کننده). قرار است عملکرد آن مانند مخزن آب یا مخزن باشد که می تواند جریان مداوم آب را از یک منبع خارجی به طور متناوب جریان دهد. مدار مخزن در نوسان ساز حاوی مقادیر زیادی از جریان گردش است که به طور مرتب توسط مقادیر کمتری از جریان از تقویت کننده بالا می رود.

از آنجا که بیشتر جریان جریان در نوسان ساز فقط در اطراف مدار مخزن رزونانس جاری می شود و نه اینکه بخش تقویت کننده نوسان ساز باشد ، نوسان سازهای LC به طور کلی موج سینوسی را با تحریف تقویت کننده بسیار کمی تولید می کنند.

یکی دیگر از ویژگی های مدار مخزن، ارائه مقدار صحیح بازخورد مثبت برای حفظ نوسانگر است. این کار با تقسیم شاخه القایی مدار به دو بخش انجام می شود که هر یک دارای مقدار متفاوتی هستند، بنابراین سلف به روشی مشابه ترانسفورماتور خودکار عمل می کند، نسبت دو سیم پیچ مقدار مناسبی از سیگنال را برای برگشت به آن ارائه می دهد. ورودی تقویت کننده

از آنجایی که در شکل 2. 1. 6 (و شکل 2. 1. 1) بالای L1 به +Vcc متصل است، تا آنجا که به سیگنال های AC مربوط می شود، از طریق امپدانس بسیار کم C5 به زمین متصل می شود. بنابراین شکل موج X در سراسر L1 و شکل موج Y در کل مدار در فاز هستند. از آنجایی که از یک تقویت کننده پایه معمولی استفاده می شود، سیگنال های کلکتور و امیتر نیز در فاز هستند و مدار مخزن در نتیجه بازخورد مثبت ارائه می دهد. در طرح های دیگر هارتلی، برای مثال، با استفاده از تقویت کننده های امیتر رایج، از مدارهای مخزن مشابه اما با اتصالات متفاوت استفاده می شود، به طوری که سیگنال فیدبک همیشه با سیگنال ورودی در فاز است، بنابراین بازخورد مثبت لازم را ارائه می دهد.

بایاس خودکار کلاس C "لغزنده".

شکل 2. 1. 7 تعصب کلاس C لغزشی

در نوسانگرهای موج سینوسی LC استفاده از بایاس خودکار کلاس C رایج است. در کلاس C، ولتاژ بایاس، یعنی ولتاژ پایه ترانزیستور، منفی تر از ولتاژ امیتر است و باعث می شود V_beمنفی به طوری که ولتاژ متوسط (مرکز) موج ورودی روی قسمت منفی V قرار دارد._beمحور منحنی مشخصه نشان داده شده در شکل 2. 1. 7 بنابراین تنها بخشی از هر موج سینوسی برای تولید پالس های جریان کلکتور تقویت می شود.

از آنجا که فقط نوک شکل موج در کلاس C تقویت می شود، تقویت کننده نمی تواند یک موج خروجی بدون اعوجاج تولید کند. اما در یک نوسانگر LC این مهم نیست. تمام کاری که تقویت کننده باید انجام دهد این است که پالس های جریان را به مدار تشدید LC در فرکانس تشدید آن ارائه دهد. خروجی موج سینوسی مدار در واقع با عمل تشدید مدار LC تولید می شود. دامنه سیگنال تولید شده به مقدار جریان در مدار تنظیم شده LC بستگی دارد.

همانطور که تقویت کننده این جریان را فراهم می کند، نتیجه می شود که با کنترل خودکار مقدار جریان کلکتور (I_c) هر بار که یک پالس تولید می شود ، دامنه موج سینوسی خروجی را می توان در یک سطح ثابت کنترل کرد. جریان جمع کننده ترانزیستور به ولتاژ پایه/انتشار بستگی دارد. در کلاس C ولتاژ پایه/امیتر به طور خودکار متغیر است به طوری که دامنه موج خروجی پایدار است.

چگونه اسیلاتور هارتلی کار می کند

نوسان ساز در شکل 2. 1. 1 از یک تقویت کننده پایه مشترک استفاده می کند. هنگامی که نوسان ساز برای اولین بار از آن استفاده می شود ، تقویت کننده در کلاس A با بازخورد مثبت کار می کند. مدار مخزن LC پالس جریان جمع کننده را دریافت می کند و در فرکانس طراحی شده خود شروع به طنین انداز می کند. بزرگنمایی جریان ارائه شده توسط مدار مخزن زیاد است ، که در ابتدا دامنه خروجی را بسیار بزرگ می کند. با این حال ، هنگامی که پالس های اول وجود داشته باشد و از طریق C2 ، ولتاژ DC ، ولتاژ DC ، که به مدت زمان زیادی به زمان ثابت C2 و R3 وابسته است ، که بسیار طولانی تر از زمان دوره ای موج نوسان ساز است ، به امیت بازگردانده می شوند. در سراسر R3.

با افزایش ولتاژ امیتر ، نقطه تعصب تقویت کننده "اسلایدها" از موقعیت کلاس A خود به سمت شرایط کلاس C ، همانطور که در شکل 2. 1. 7 نشان داده شده است ، باعث کاهش تفاوت می شود (V_be) بین ولتاژ پایه نسبتاً پایدار ایجاد شده توسط غواص بالقوه RL/R2 و ولتاژ انتشار دهنده به طور فزاینده ای مثبت. این بخشی از شکل موج را که توسط TR1 تقویت می شود ، کاهش می دهد ، تا این که فقط نکات شکل موج در حال تولید پالس جریان جمع کننده از طریق مدار مخزن و مدار افزایش حلقه بسته به 1 کاهش یافته است. به طور موثری بازخورد مثبت از مدار مخزنو بازخورد منفی و ایجاد شده توسط C2 و R3 در تعادل هستند.

هرگونه انحراف از این تعادل یک اثر تصحیح را ایجاد می کند. اگر دامنه موج خروجی کاهش یابد ، بازخورد از طریق C2 همچنین باعث کاهش ولتاژ امیتر می شود و باعث می شود ارزش منفی V باشد_beکوچکتر ، و بنابراین ایجاد افزایش تصحیح جریان جمع کننده و موج خروجی بیشتر در سراسر مدار مخزن تولید می شود. با افزایش جریان جمع کننده ، ولتاژ TR1 Emitter نیز همینطور خواهد بود. این امر باعث ایجاد ولتاژ بزرگتر در R3 می شود و باعث می شود تا امیتر مثبت تر شود و به طور مؤثر میزان ولتاژ پایه/انتشار دهنده TR1 را افزایش دهد. این باعث می شود جریان کلکسیون دوباره کاهش یابد و منجر به ایجاد یک شکل موج خروجی کوچکتر توسط مدار مخزن و تعادل افزایش حلقه بسته مدار در 1 شود.

شکل 2. 1. 8 نوسان ساز Hartley Emitter مشترک

طرح های جایگزین هارتلی.

مدار نشان داده شده در شکل 2. 1. 8 از یک تقویت کننده امیتر مشترک و بازخورد مثبت از بالای مدار تنظیم شده ، از طریق C2 (مسدود کردن DC و خازن اتصال AC) به پایه استفاده می کند.

انتهای بالا و پایین سلف ضربه خورده L1/L2 در آن ضد فاز قرار دارد ، همانطور که در این طرح ، نقطه ضربه زدن به مدار مخزن به خط عرضه وصل می شود ، که در یک تقویت کننده امیتر مشترک دقیقاً همان نقطه استامیتر ترانزیستور به دلیل خازن های جداشده در سراسر عرضه (نشان داده نشده است که در منبع تغذیه قرار خواهد گرفت) و C3 در سراسر مقاومت Emitter.

پایه در یک تقویت کننده نرم کننده مشترک نیز در ضد فاز با شکل موج جمع کننده قرار دارد و در نتیجه بازخورد مثبت از طریق C2 ایجاد می شود. از تعصب کلاس C اتوماتیک دوباره استفاده می شود اما در این مدار مقدار خازن جداشده Emitter C3 بسیار مهم و کوچکتر از یک تقویت کننده کلاس A معمولی خواهد بود. این تنها تا حدی R3 ، ثابت زمان R3/C3 را کنترل می کند که میزان تعصب کلاس C اعمال می شود.

شکل 2. 1. 9 اسیلاتور هارتلی با بازخورد تنظیم شده

در شکل 2. 1. 9 ضربه زدن به سلف به جای +VCC به زمین وصل می شود و از دو خازن مسدود کننده DC برای از بین بردن هر DC از مدار تنظیم شده استفاده می شود. بار جمع کننده اکنون توسط یک خفه RF تهیه شده است که به سادگی امپدانس بالایی را در فرکانس نوسان ساز فراهم می کند.

تعصب کلاس C اتوماتیک برای تقویت کننده امیتر مشترک به روشی مشابه با شکل 2. 1. 8 ارائه شده است. در این تغییر ، با این حال ، به جای استفاده از یک تقویت کننده تنظیم شده که فقط در فرکانس مورد نظر تقویت می شود ، تقویت کننده در اینجا در طیف گسترده ای از فرکانس ها کار می کند.

با این حال قرار دادن مدار مخزن تنظیم شده در مسیر بازخورد تضمین می کند که بازخورد مثبت فقط در فرکانس رزونانس مدار تنظیم شده رخ می دهد.

© 2007− 2023 اریک Coates MA BSC.(Hons) کلیه حقوق محفوظ است.(تجدید نظر 15. 00 29 دسامبر 2020)