Oskillaattori

Oskillaattori elektroniikassa

Oskillaattori on tärkeä piiri mm. radiojärjestelmän osissa ja digitaalitekniikkaa sisältävissä laitteissa. Se määrää esimerkiksi tietokoneen suorittimen tai radiolähettimen toimintataajuuden. Oskillaattorin lähtösignaalin aaltomuoto on tavallisimmin sini- tai kanttiaaltoa. Tietokoneiden yksi olennainen osa on oskillaattori. Esimerkiksi tietokone, jossa on 200 MHz:n Pentium -suoritin, oskillaattori värähtelee 200 megahertsin taajuudella, mikä on suorittimen toimintataajuus.

Elektroniset oskillaattorit luokitellaan sinimuotoista vaihtojännitettä muodostaviin lineaarisiin ja muita aaltomuotoja tuottaviin epälineaarisiin oskillaattoreihin. Joistakin epälineaarisista oskillaattoreista käytetään myös nimitystä relaksaatio-oskillaattorit. Yhteistä kaikille oskillaattorityypeille on, että värähtelyehto on voimassa, eli nollasta poikkeavalla värähtelytaajuudella kytkentä on positiivisesti takaisinkytketty ja tällä samalla taajuudella kytkennän vahvistuskerroin on yksi tai suurempi.

Mikäli tarvitaan sellaista signaalia, jota ei voida suoraan oskillaattorilla tuottaa, voidaan oskillaattorin lähtöön kytkeä esimerkiksi vahvistin, vaimennin, integraattori, derivaattori, kompressori, komparaattori tai useita yhdessä halutunlaisen aaltomuodon ja amplitudin tuottamiseksi.

LC-oskillaattorit

Perinteisessä radiolähettimessä sähköenergian siirtyminen kelan magneettikentän ja kondensaattorin sähkökentän välillä aiheuttaa värähtelyn. Tämän sinimuotoisen värähtelyn taajuus eli frekvenssi riippuu kelan L ja kondensaattorin C koosta. Koska värähtelypiiristä poistuu energiaa lämpöhäviöinä sekä sähkömagneettisina aaltoina, oskillaattori tarvitsee ulkoisen energianlähteen, joka syöttää piiriin lisää energiaa sopivalla hetkellä. LC-oskillaattorin kulmataajuus $\omega_0$ on sama kuin LC-piirin resonantti kulmataajuus.

$\omega_0 = {1 \over \sqrt{LC}}$

Vastaavasti resonanssitaajuus f saadaan seuraavasti:

$f = {1 \over 2\pi \sqrt{LC}}$

Vaiheensiirto-oskillaattori

Vaiheensiirto-oskillaattorissa positiivinen takaisinkytkentä tuotetaan lähdöstä vahvistimen negatiiviseen tuloon kytketyillä kolmella RC-ylipäästösuotimella, joista kukin siirtää vaihetta 60°. Vahvistimen negatiivinen tulo on sama asia kuin 180° vaihesiirto, joten yhteenlaskettu vaihesiirto on 0° tai 360°, mikä vastaa positiivista takaisinkytkentää.

Vaihesiirto-oskillaattori voidaan toteuttaa hieman monimutkaisemmin myös neljällä ylipäästösuotimella, jolloin oskillaattorin vaihekohina ja taajuusstabiilius parantuvat.

RC-aikavakio-oskillaattorit

Oskillaattori voidaan rakentaa myös takaisinkytkemällä komparaattori RC-aikavakion kautta. Kun kondensaattori latautuu vastuksen kautta tiettyyn jännitteeseen, komparaattori vaihtaa tilaansa ja kondensaattori alkaa purkautua. Kun kondensaattorin jännite alittaa komparaattorin vertailuarvon, lähtö vaihtaa jälleen tilaansa. Kytkennästä saadaan ulos kanttiaaltoa tai kondensaattorin lataus- ja purkauskäyrän mukaista säröytynyttä kolmioaaltoa, joten kytkentä kuuluu epälineaarisiin oskillaattoreihin.

UJT-oskillaattori lukeutuu myös epälineaarisiin oskillaattoreihin. Siinä RC-aikavakion määräämällä nopeudella kasvava kondensaattorin jännite liipaisee tiettyyn arvoon noustuaan UJT-transistorin johtavaksi, jolloin kondensaattorin varaus purkautuu, transistori lakkaa johtamasta ja varautuminen alkaa uudelleen. UJT-oskillaattorin toisesta lähdöstä saadaan negatiivinen ja toisesta positiivinen jännitepulssi tietyn ajan välein. Tällä pulssilla voidaan ohjata esimerkiksi tyristoria.

Kideoskillaattorit

Digitaalielektroniikassa käytetään usein tarkasti vakiotaajuudella toimivia kideoskillaattoreita. Kideoskillaattorin keskeinen komponentti on pietsosähköinen kide, joka on yleensä kvartsia. Kytkennässä kide värähtelee mekaanisesti jollain ominaisvärähtelytaajuudellaan ja toimii lähes suuri-induktanssisen kelan tavoin. Suuren induktanssin ja pienen sisäisen resistanssin vuoksi kideoskillaattorin toimintataajuus on erittäin vakaa. Vakautta voidaan edelleen parantaa pitämällä kiteen lämpötilaa vakiona.

Katso myös

Värähtelypiiri