[발진회로 기초] LC 발진회로(발진기)

< LC 오실레이터 기본사항 >

 

발진기는 정확한 주파수에서 연속 주기적인 파형을 생성하는 전자 회로입니다.

 

 

발진기는 DC 입력(공급 전압)을 AC 출력(파형)으로 변환하여 응용 프로그램에 따라 자연또는 단순한 사새파에서 복잡할 수 있는 다양한 파형 모양과 주파수를 가질 수 있다.

발진기는 또한 사인파, 사각형, 톱니 또는 삼각형 모양의 파형을 생산하거나 가변 또는 일정한 폭의 펄스의 단차를 생산하는 테스트 장비에 많이 사용됩니다. LC 발진기는 양상 소음 특성과 구현 편의성 때문에 무선 주파수 회로에서 일반적으로 사용됩니다.

발진기는 기본적으로 "Positive Feedback", 또는 regenerative feedback 과 앰프이며 전자회로 설계의 많은 문제 중 하나는 발진기가 진동을 얻기 위해 증폭기를 사용하지만 증폭기에서 진동이 멈추는 상태가 발생합니다.

발진기는 커패시터, 인덕터 또는 동일한 회로의 형태로 피드백 공진기 회로의 손실을 극복하기 때문에 이 공진기 회로에 필요한 주파수로 DC를 적용하여 작동합니다. 즉, 발진기는 입력 신호를 사용하지 않고 출력 주파수를 생성하는 Positive Feedback을 사용하는 앰프입니다.

따라서 발진기는 정확한 주파수를 얻기위해 정기적인 출력 파형을 생성하는 자체 회로이며, 모든 전자 회로가 발진기로 작동하려면 다음 세 가지 특성이 있어야 합니다

 

1. Some form of Amplification

2. Positive Feedback (regeneration)

3. A Frequency determine feedback network

 

발진기는 시작될 수 있는 진동에 대해 하나보다 너무 많거나 약간 큰 오픈 루프 게인을 가진 작은 신호 피드백 증폭기를 가지고 있지만 진동을 계속하려면 평균 루프 이득이 정확하게 돌아와야 합니다. 이러한 반응성 구성 요소 외에도 작동 증폭기 또는 양극성 트랜지스터와 같은 증폭 장치가 필요합니다.

증폭기와 달리 DC 공급 에너지가 발진기에 의해 필요한 주파수에서 AC 에너지로 변환됨에 따라 발진기가 작동하도록 하는데 필요한 외부 AC 입력은 필요하지 않습니다.\

 

기본 발진기 피드백 회로

 

발진기 피드백 제어회로

 

피드백없이 발진기 이득

 

피드백 없는 발진기 이득 공식

 

피드백이 있는 발진기 이득

 

피드백 있는 발진기 이득 공식

 

발진기 공명

일정한 전압이 적용되지만 인덕터, 커패시터 및 저항기로 구성된 회로에 적용될 때 커패시터/저항기 및 인덕터/저항기 회로의 반응은 사용되는 부품의 반응으로 인한 입력 신호에 비해 진폭 및 출력 신호의 위상을 모두 변화시키는 것이다.

높은 주파수에서 커패시터의 반응은 단락으로 매우 낮으며 인덕터의 반응은 개방 회로로서 작용한다. 낮은 주파수에서 그 반대는 사실이며, 커패시터의 반응은 개방 회로역할을 하며 인덕터의 반응은 단락 역할을 한다.

이 두 극단 사이에 인덕터와 커패시터의 조합은 공진 주파수를가지고 "조정"또는 "공명"회로를 생성, ((r) 정전 용량 및 유도 반응의 동일하고 서로를 취소, 전류의 흐름에 반대하는 회로의 저항만 떠나. 즉, 전류가 전압을 가진 위상에 있기 때문에 위상 변화가 없습니다. 

기본 LC 발진기 탱크 회로

 

LC 발진기 회로

 

회로는 유도 코일, L 및 커패시터 C로구성됩니다. 커패시터는 전기전지 의 형태로 에너지를 저장하고 플레이트 전체에 걸쳐잠재(정적 전압)을생성하는 반면, 유도코일은 전자기장의 형태로 에너지를 저장합니다. 커패시터는 스위치를 위치 A에배치하여 DC 공급 전압, V까지 충전됩니다. 커패시터가 완전히 충전되면 스위치가 위치 B로변경됩니다.

충전된 커패시터는 이제 유도 코일을 가로질러 병렬로 연결되므로 커패시터가 코일을 통해 자체적으로 배출되기 시작합니다. 코일을 통해 전류가 상승하기 시작하면 C의 전압이 떨어지기 시작합니다.

 

이 상승 전류는 전류의 이 흐름에 저항하는 코일 의 주위에 전자기장을 설치합니다. 커패시터, C가 원래 커패시터에 저장된 에너지를 완전히 배출하면, C는 이제 유도코일, L을 코일 권선 주위의 전자기장으로 저장한다.

이제 코일 내에서 전류를 유지하기 위해 회로에 외부 전압이 없기 때문에 전자기장이 붕괴되기 시작하면 떨어지기 시작합니다. 백 엠프는코일(e=-Ldi/dt)에서유도되어 전류가 원래 방향으로 흐르는 것을 유지합니다.

이 현재는 커패시터, C를 원래 충전에 반대극성을 부과합니다. C는 전류가 0으로 감소하고 코일의 전자기장이 완전히 붕괴 될 때까지 계속 충전됩니다.

 

원래 스위치를 통해 회로에 도입 된 에너지는 다시 정전기 전압 전위가커패시터로 반환되었습니다. 커패시터는 이제 코일을 통해 다시 배출되기 시작하고 전체 과정이 반복됩니다. 전압의 극성은 전압이 커패시터와 인덕터 간에 앞뒤로 전달되어 AC 형 부비동 전압 및 전류 파형을 생성합니다.

이 과정은 LC 발진기 탱크 회로의 기초를 형성하고 이론적으로이 사이클링 앞뒤로 무기한 계속됩니다. 그러나, 상황이 완벽하지 않으며 에너지가 커패시터, C에서 인덕터, L및 L에서 C로 다시 전송될 때마다 시간이 지남에 따라 진동을 0으로 부패시키는 에너지 손실이 발생합니다.

 

커패시터, C를 인덕터로 앞뒤로 에너지를 전달하는 이 진동 행동은 회로 내에너지 손실이 아니라면 무기한 계속될 것입니다. 전기 에너지는 DC 또는 인덕터 코일의 실제 저항, 커패시터의 유전체 및 회로에서 방사선에서 손실되므로 진동이 완전히 사라지고 공정이 멈출 때까지 진동이 꾸준히 감소합니다.

그런 다음 실용적인 LC 회로에서 진동 전압의 진폭은 진동의 각 반사이클에서 감소하고 결국 0으로 멀리 죽을 것이다. 진동은 회로의 품질 또는 Q 계자에 의해 결정되는 감쇠의 양으로 "감쇠"라고합니다.

감쇄 진동

 

진동 감쇄 시간

 

진동 전압의 주파수는 LC 탱크 회로의 인덕턴스 및 커패시턴스의 값에 따라 달라집니다. 우리는 이제 탱크 회로에서 공명이 발생하려면 주파수 포인트가 있어야합니다. ⅩC, 정전 용량 반응은 의 값과 동일합니다. Ⅹℓ, 유도 반응 ( Ⅹℓ = XC )이에 따라 회로에 DC 저항만 남기며 서로를 상쇄하여 전류의 흐름에 반대합니다.

이제 커패시터의 용량반응에 대한 커브 의 유도 반응곡선을 두면 두 곡선이 동일한 주파수 축에 있도록 교차점이 공명 주파수를 부여합니다.

공명 주파수

 

공명주파수

공명주파수 공식

 

그런 다음 위의 방정식을 단순화하여 공명 주파수에 대한 최종 방정식을 얻습니다.

LC 발진기의 공진 주파수

 

LC 발진기 공진주파수

 

• L은 인덕턴스입니다.
• C는 커패시턴스입니다.
• fr 출력 주파수입니다

이 방정식은 L 또는 C가 감소하면 주파수가 증가한다는 것을 보여줍니다. 이 출력 주파수는 일반적으로 약어를 부여합니다( fr )을 "공진 주파수"로 식별합니다.

LC 탱크 회로에서 진동을 유지하기 위해 각 진동에서 손실된 모든 에너지를 교체하고 이러한 진동의 진폭을 일정한 수준으로 유지해야 합니다. 따라서 교체된 에너지의 양은 각 주기 동안 손실되는 에너지와 같아야 합니다.

 

교체된 에너지가 너무 크면 공급 레일의 클리핑이 발생할 때까지 진폭이 증가합니다. 또는, 교체된 에너지의 양이 너무 작으면 진폭이 시간이 지남에 따라 결국 0으로 감소하고 진동이 멈출 것입니다.

이 손실 된 에너지를 대체하는 가장 간단한 방법은 LC 탱크 회로에서 출력의 일부를 수행 증폭 한 다음 다시 LC 회로로 다시 공급하는 것입니다. 이 공정은 op-amp, FET 또는 양극성 트랜지스터를 활성 장치로 사용하여 전압 증폭기를 사용하여 달성될 수 있습니다. 그러나 피드백 증폭기의 루프 게인이 너무 작으면 원하는 진동이 0으로 감소하고 너무 크면 파형이 왜곡됩니다.

 

일정한 진동을 생성하려면 LC 네트워크에 다시 공급되는 에너지 수준을 정확하게 제어해야 합니다. 그런 다음 진폭이 기준 전압에서 위또는 아래로 변화하려고 할 때 일종의 자동 진폭또는 게인 제어가 있어야 합니다.

안정적인 진동을 유지하려면 회로의 전체 이득은 하나 또는 통일과 같아야 합니다. 진동이 시작되거나 0으로 사라지지 않을 경우, 진동이 더 이상 발생하지만 진폭은 왜곡을 유발하는 공급 레일에 의해 잘립니다.

LC 발진기 예제1

200mH의 인덕션과 10pF의 커패시터가 병렬로 연결되어 LC 발진기 회로상태에서 계산합니다.

 

 

LC 발진기 공진주파수 계산 예

 

그런 다음 위의 예에서 커패시턴스, C 또는 인덕션의 값을 감소시킴으로써 L이 LC발진기 회로의 진동 빈도를 증가시키는 효과를 갖는 것을 볼 수 있다

LC 발진기 요약

LC 발진기 공진 탱크 회로에 필요한 기본 조건은 다음과 같이 제공한다.

• 발진기가 존재하려면 발진기 회로가 존재해야 하며 반응성(주파수 의존성) 구성 요소에는 "인덕터",(L)또는 "커패시터",(C)및 DC 전원이 포함되어야 한다.
• 간단한 LC 회로에서는 구성 요소 및 회로 손실로 인해 시간이 지남에 따라 진동이 상쇄됩니다.
• 전압 증폭은 이러한 회로 손실을 극복하고 긍정적 인 이득을 제공하기 위해 필요합니다.
• 증폭기의 전반적인 이득은 하나 이상의 단결이어야 한다.
• 진동은 올바른 진폭 및 상내인 조정된 회로에 출력 전압의 일부를 다시 공급하여 유지관리할 수 있다(0도).
• 진동은 피드백이 "Positive"(Self regeneration)인 경우에만 발생할 수 있습니다.
• 회로의 전체 위상 이동은 0 또는 360이어야 합니다.O 피드백 네트워크의 출력 신호가 입력 신호와 함께 "In phase"가 되도록 합니다.