LC 발진기 기본 사항

 

LC 발진기 기본 사항

발진기는 정확한 주파수에서 연속적이고 주기적인 파형을 생성하는 전자 회로입니다.

LC 발진기는 DC 입력(공급 전압)을 AC 출력(파형)으로 변환합니다. 이 출력 파형은 다양한 모양과 주파수를 가질 수 있으며 애플리케이션에 따라 모양이 복잡할 수도 있고 단순한 순수 사인파일 수도 있습니다.

발진기는 정현파, 정사각형, 톱니파 또는 삼각형 모양의 파형이나 가변 또는 일정한 폭의 반복 펄스열을 생성하는 다양한 테스트 장비에 사용됩니다. LC 발진기는 우수한 위상 잡음 특성과 구현 용이성으로 인해 무선 주파수 회로에 일반적으로 사용됩니다.

발진기 는 기본적으로 "포지티브 피드백" 또는 재생 피드백(동위상)이 있는 증폭기이며, 전자 회로 설계의 많은 문제 중 하나는 발진기를 발진시키려고 시도하는 동안 증폭기가 발진하는 것을 막는 것입니다.

발진기는 필요한 주파수의 DC 에너지를 이 공진기 회로에 적용하여 동일한 회로에서 커패시터 , 인덕터 또는 둘 다 의 형태로 피드백 공진기 회로의 손실을 극복하기 때문에 작동합니다 . 즉, 발진기는 외부에서 인가되는 입력 신호를 사용하지 않고 출력 주파수를 생성하는 포지티브 피드백을 사용하는 증폭기입니다.

 

따라서 발진기는 단일 정현파 주파수에서 주기적인 출력 파형을 생성하는 자체 유지 회로입니다. 따라서 모든 전자 회로가 발진기로 작동하려면 다음 세 가지 특성을 포함해야 합니다.

• 어떤 형태의 증폭
• 긍정적인 피드백(재생)
• 주파수 결정 피드백 네트워크

발진기에는 발진이 시작되기에는 개방 루프 이득이 너무 크거나 약간 큰 작은 신호 피드백 증폭기가 있지만 발진을 계속하려면 평균 루프 이득이 1로 돌아와야 합니다. 이러한 반응성 구성 요소 외에도 연산 증폭기 또는 양극성 트랜지스터와 같은 증폭 장치가 필요합니다.

증폭기와는 달리 발진기를 작동시키는 데 필요한 외부 AC 입력 신호가 없습니다. 왜냐하면 DC 공급 에너지가 발진기에 의해 필요한 주파수의 AC 에너지로 변환되기 때문입니다.

기본 발진기 피드백 회로

여기서 β 는 피드백 부분입니다.

피드백 없는 발진기 이득

피드백이 있는 오실레이터 이득

그런 다음 발진기는 필요한 단일 주파수에서 연속적인 전압 출력 파형을 생성하는 전기 회로입니다. 인덕터, 커패시터 또는 저항기는 기본적으로 원하는 주파수를 통과시키는 수동 대역 통과 필터와 피드백 네트워크인 주파수 선택 공진 회로를 형성하는 데 사용됩니다.

피드백 네트워크는 회로의 진동을 유지하기 위해 출력 신호의 작은 비율을 입력 측으로 다시 "공급"합니다. 사용되는 포지티브 피드백의 양은 진동이 무한정 지속될 수 있도록 회로 손실을 극복할 수 있을 만큼 커야 합니다.

피드백 네트워크는 기본적으로 1보다 작은 전압 이득( β<1 )을 갖는 감쇠 회로입니다. Aβ >1 일 때 진동이 시작되고 진동이 지속되면 1( Aβ =1 ) 로 돌아갑니다 .

LC 발진기 주파수는 조정되거나 공진되는 유도성/용량성(LC) 회로를 사용하여 제어되며 결과 출력 주파수는 발진 주파수 로 알려져 있습니다 . 발진기 피드백을 반응성 네트워크로 만들면 피드백의 위상 각도가 주파수 함수에 따라 달라지는데 이를 위상 변 이라고 합니다 .

기본적으로 발진기 유형이 있습니다.

 

• 1. 정현파 발진기 - 이는 고조파 발진기   로 알려져 있으며 일반적으로 일정한 진폭과 주파수를 갖는 순수 정현파 파형을 생성하는 "LC 튜닝 피드백" 또는 "RC 튜닝 피드백" 유형의 발진기입니다.
• 2. 비정현파 발진기 - 이는 이완 발진기   로 알려져 있으며 "구형파", "삼각파" 또는 "톱니파"와 같은 한 안정성 조건에서 다른 조건으로 매우 빠르게 변하는 복잡한 비정현파 파형을 생성합니다. 파형을 입력합니다.

발진기 공명

인덕터, 커패시터 및 저항기로 구성된 회로에 일정한 전압이지만 다양한 주파수가 적용되면 커패시터/저항기와 인덕터/저항기 회로의 리액턴스는 출력 신호의 진폭과 위상을 모두 변경합니다. 사용된 구성요소의 리액턴스로 인한 입력 신호.

고주파수에서 커패시터의 리액턴스는 단락 회로로 작용하는 매우 낮고 인덕터의 리액턴스는 개방 회로로 작용합니다. 저주파에서는 그 반대가 성립합니다. 즉, 커패시터의 리액턴스는 개방 회로로 작용하고 인덕터의 리액턴스는 단락 회로로 작용합니다.

이 두 가지 극단 사이에서 인덕터와 커패시터의 조합은 공진 주파수(fr)를 갖는 "조정" 또는 "공진" 회로를 생성합니다. 여기서  용량  성 리액턴스와 유도성 리액턴스는 동일하고 서로 상쇄되어 다음의 저항만 남습니다. 전류의 흐름을 방해하는 회로. 이는 전류가 전압과 위상이 같기 때문에 위상 변이가 없음을 의미합니다. 아래 회로를 고려하십시오.

기본 LC 발진기 탱크 회로

회로는 유도 코일 L 과 커패시터 C 로 구성됩니다 . 커패시터는 정전기장의 형태로 에너지를 저장하고 플레이트 전체에 전위( 정전압 )를 생성하는 반면, 유도 코일은 전자기장의 형태로 에너지를 저장합니다. 스위치를 A 위치에 놓으면 커패시터는 DC 공급 전압 V 까지 충전됩니다 . 커패시터가 완전히 충전되면 스위치는 위치 B 로 변경됩니다 .

충전된 커패시터는 이제 유도 코일을 통해 병렬로 연결되므로 커패시터는 코일을 통해 자체적으로 방전되기 시작합니다. 코일을 통과하는 전류가 상승하기 시작하면 C 양단의 전압이 떨어지기 시작합니다.

이 상승 전류는 전류 흐름에 저항하는 코일 주위에 전자기장을 설정합니다. 커패시터 C가 원래 커패시터에 저장된 에너지를 완전히 방전하면 정전기장인 C가 이제 코일 권선 주변의 전자기장으로 유도 코일 L 에 저장됩니다.

이제 코일 내부의 전류를 유지하기 위해 회로에 외부 전압이 없으므로 전자기장이 붕괴되기 시작하면 전압이 떨어지기 시작합니다. 역기전력이 코일( e = -Ldi/dt )에 유도되어 전류가 원래 방향으로 흐르는 것을 유지합니다.

이 전류는 원래 전하와 반대 극성으로 커패시터 C 를 충전합니다 . C는 전류가 0으로 감소하고 코일의 전자기장이 완전히 붕괴될 때까지 계속 충전됩니다.

처음에 스위치를 통해 회로에 유입된 에너지는 이제 반대 극성이기는 하지만 다시 정전 전압 전위를 갖는 커패시터로 반환되었습니다. 이제 커패시터는 코일을 통해 다시 방전되기 시작하고 전체 프로세스가 반복됩니다. 에너지가 커패시터와 인덕터 사이를 오가면서 전압의 극성이 바뀌면서 AC 유형의 정현파 전압과 전류 파형이 생성됩니다.

이 프로세스는 LC 발진기 탱크 회로의 기초를 형성하며 이론적으로 이 순환은 무한정 계속됩니다. 그러나 상황은 완벽하지 않으며 에너지가 커패시터 C 에서 인덕터 L 로, 그리고 다시 L 에서 C 로 전송될 때 마다 시간이 지남에 따라 진동을 0으로 감소시키는 일부 에너지 손실이 발생합니다.

커패시터 C 와 인덕터 L 사이에서 앞뒤로 에너지를 전달하는 이러한 진동 동작은 회로 내에서 에너지 손실이 발생하지 않는 한 무한정 계속됩니다. 전기 에너지는 인덕터 코일의 DC 또는 실제 저항, 커패시터의 유전체 및 회로의 복사에서 손실되므로 진동이 완전히 사라지고 프로세스가 중지될 때까지 꾸준히 감소합니다.

그런 다음 실제 LC 회로에서 진동 전압의 진폭은 진동의 각 반주기마다 감소하고 결국 0으로 사라집니다. 그런 다음 진동은 회로의 품질 또는 Q 인자에 의해 결정되는 감쇠량을 사용하여 "감쇠"되었다고 합니다.

감쇠진동

진동 전압의 주파수는 LC 탱크 회로 의 인덕턴스 및 커패시턴스 값에 따라 달라집니다 . 이제 우리는 탱크 회로에서 공진이 발생하려면 X C 값이 있는 주파수 지점이 있어야 하고 , 용량성 리액턴스는 X L 값과 동일하고 , 유도 리액턴스(  X L  = X C  )가 있어야 한다는 것을 알고 있습니다. 따라서 전류 흐름을 반대하는 회로의 DC 저항만 남기고 서로 상쇄됩니다.

이제 인덕터의 유도성 리액턴스에 대한 곡선을 커패시터의 용량성 리액턴스 곡선 위에 배치하여 두 곡선이 동일한 주파수 축에 있도록 하면 교차점이 공진 주파수 지점(  f r 또는 Ωr  ) 아래와 같이 표시됩니다.

공명 주파수

여기서: r 은 헤르츠 단위이고, L 은 헨리 단위이고, C 는 패럿 단위입니다.

그러면 이런 일이 발생하는 빈도는 다음과 같이 주어진다.

그런 다음 위의 방정식 을 단순화함으로써 튜닝된 LC 회로에서 공진 주파수 fr 에 대한 최종 방정식을 다음과 같이 얻습니다 .

LC 발진기의 공진 주파수

 

• 어디:
• L 은 헨리의 인덕턴스입니다.
• C 는 패럿 단위의 커패시턴스입니다.
• § r 은 출력 주파수(Hz)입니다.

이 방정식은 L 또는 C가 감소하면 주파수가 증가함을 보여줍니다. 이 출력 주파수는 일반적으로   "공진 주파수"로 식별하기 위해 약어 로 표시됩니다.

LC 탱크 회로 에서 진동을 계속 진행하려면 각 진동에서 손실된 모든 에너지를 대체하고 이러한 진동의 진폭을 일정한 수준으로 유지해야 합니다. 따라서 교체된 에너지의 양은 각 사이클 동안 손실된 에너지와 동일해야 합니다.

교체된 에너지가 너무 크면 공급 레일이 잘릴 때까지 진폭이 증가합니다. 또는 교체된 에너지의 양이 너무 작으면 시간이 지남에 따라 진폭이 결국 0으로 감소하고 진동이 중지됩니다.

손실된 에너지를 대체하는 가장 간단한 방법은 LC 탱크 회로 의 출력 일부를 가져와 증폭한 다음 다시 LC 회로 에 공급하는 것 입니다 . 이 프로세스는 연산 증폭기, FET 또는 바이폴라 트랜지스터를 활성 장치로 사용하는 전압 증폭기를 사용하여 달성할 수 있습니다. 그러나 피드백 증폭기의 루프 이득이 너무 작으면 원하는 진동이 0으로 감소하고 너무 크면 파형이 왜곡됩니다.

일정한 진동을 생성하려면 LC 네트워크 에 다시 공급되는 에너지 수준을 정확하게 제어해야 합니다. 그런 다음 진폭이 기준 전압에서 위 또는 아래로 변화하려고 할 때 일종의 자동 진폭 또는 이득 제어가 있어야 합니다.

안정적인 발진을 유지하려면 회로의 전체 이득이 1 또는 1과 같아야 합니다. 더 적으면 진동이 시작되지 않거나 0으로 사라지지 않고 더 이상 진동이 발생하지만 진폭이 공급 레일에 의해 잘려 왜곡을 유발합니다. 아래 회로를 고려하십시오.

기본 트랜지스터 LC 발진기 회로

바이폴라 트랜지스터는 튜닝된 LC 탱크 회로가 컬렉터 부하로 작용하는 LC 발진기 증폭기로 사용됩니다. 또 다른 코일 L2 는 전자기장이 코일 L 의 전자기장과 "상호" 결합되는 트랜지스터의 베이스와 이미터 사이에 연결됩니다 .

두 회로 사이에는 "상호 인덕턴스"가 존재하며 한 코일 회로에 흐르는 전류의 변화는 전자기 유도에 의해 다른 회로에 전위 전압을 유도(변압기 효과)하여 동조된 회로에서 진동이 발생하고 코일에서 전자기 에너지가 전달됩니다. L은 코일 L2 에 연결되고 , 동조된 회로와 동일한 주파수의 전압이 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이에 인가됩니다. 이러한 방식으로 필요한 자동 피드백 전압이 증폭 트랜지스터에 적용됩니다.

두 코일( L , L2) 사이의 결합을 변경함으로써 피드백의 양을 늘리거나 줄일 수 있습니다 . 회로가 진동할 때 임피던스는 저항성이고 컬렉터 전압과 기본 전압은 180o 위상차 가 납니다. 진동(주파수 안정성이라고 함)을 유지하려면 동조 회로에 적용되는 전압이 동조 회로에서 발생하는 진동과 "동위상"이어야 합니다.

따라서 컬렉터와 베이스 사이의 피드백 경로에 추가로 180o 위상 변이를 도입 해야 합니다 . 이는 L2 의 코일을 코일 L 에 대해 올바른 방향으로 감아 발진기 회로 에 대한 올바른 진폭 및 위상 관계를 제공 하거나 증폭기의 출력과 입력 사이에 위상 변이 네트워크를 연결함으로써 달성됩니다 .

따라서 LC 발진기 는 "정현파 발진기" 또는 "고조파 발진기"로 더 일반적으로 불립니다. LC 발진기는 바이폴라 트랜지스터 또는 FET로 구성된 트랜지스터 증폭기를 사용하여 무선 주파수(RF) 유형 애플리케이션에 사용하기 위한 고주파 사인파를 생성할 수 있습니다.

고조파 발진기는 LC 필터 네트워크와 증폭기를 구성하는 방법이 다양하기 때문에 다양한 형태로 제공됩니다. 가장 일반적인 방법으로는 Hartley LC 발진기 , Colpitts LC 발진기 , Armstrong 발진기 및 Clapp 발진기가 있습니다 .

LC 발진기 예제 No1

200mH의 인덕턴스와 10pF의 커패시터를 병렬로 연결하여 LC 발진기 탱크 회로를 만듭니다. 진동 주파수를 계산합니다.

그러면 위의 예에서 커패시턴스 C 또는 인덕턴스 값을 줄임으로써 L이 LC 탱크 회로의 발진 주파수를 높이는 효과가 있음을 알 수 있습니다.

LC 발진기 요약

LC 발진기 공진 탱크 회로 에 필요한 기본 조건은 다음과 같습니다.

• 발진이 존재하려면 발진기 회로에 "인덕터"( L ) 또는 "커패시터"( C )와 같은 반응성(주파수 종속) 구성 요소와 DC 전원이 포함되어야 합니다.
• 간단한 인덕터-커패시터인 LC 회로에서는 부품 및 회로 손실로 인해 시간이 지남에 따라 발진이 감쇠됩니다.
• 이러한 회로 손실을 극복하고 포지티브 이득을 제공하려면 전압 증폭이 필요합니다.
• 증폭기의 전체 이득은 1보다 커야 합니다.
• 출력 전압의 일부를 정확한 진폭과 동위상( 0o ) 을 갖는 동조 회로에 피드백함으로써 발진을 유지할 수 있습니다 .
• 진동은 피드백이 "긍정적"(자체 재생)인 경우에만 발생할 수 있습니다.
• 피드백 네트워크의 출력 신호가 입력 신호와 "동위상"이 되도록 회로의 전체 위상 변이는 0 또는 360o여야 합니다 .

발진기에 대한 다음 튜토리얼에서는 두 개의 인덕턴스 코일을 사용하여 공진 탱크 회로 내에서 중앙 탭 인덕턴스를 형성하는 가장 일반적인 LC 발진기 회로 중 하나의 작동을 살펴보겠습니다. 이러한 유형의 LC 발진기 회로는 일반적으로 Hartley 발진기로 알려져 있습니다.