BÖLÜM 1 RF OSİLATÖRLER

Transkript

1 BÖÜM RF OSİATÖRER. AMAÇ. Radyo Frekansı(RF) Osilatörlerinin çalışma prensibi ve karakteristiklerinin anlaşılması.. Osilatörlerin tasarlanması ve gerçeklenmesi.. TEME KAVRAMARIN İNEENMESİ Osilatör, basit olarak, girişinde herhangi bir işaret olmaksızın kendi D besleme gerilimini sürekli olarak tekrar eden bir A çıkış işaretine çeviren işaret üretecidir. Osilatörler haberleşme sistemlerinde çok önemli rol oynarlar. Bir osilatör, herhangi bir haberleşme sisteminde kullanılan taşıyıcı yada lokal osilasyon işaretini üretir. Fig.-, bir osilatörün temel blok diyagramını göstermektedir. Yapı, bir kuvvetlendirici ve rezonans devresinden oluşan bir geri besleme bloğu içermektedir. D gerilim ilk olarak devreye uygulandığı zaman, devrede bir gürültü oluşacaktır. Oluşan bu gürültü kuvvetlendirici tarafından kuvvetlendirilir ve daha sonra geri besleme bloğu aracılığıyla devrenin girişine uygulanır. Geri besleme bloğu filtre görevi gören bir rezonans devresidir. Geri besleme bloğu, rezonans frekansına eşit olan frekansların geçmesini, diğer frekansların ise süzülmesini sağlar. Geri besleme işareti kuvvetlendirilir ve tekrar devrenin girişine geri besleme yapılır. Eğer geri besleme işareti ile devre girişindeki işaret aynı fazda ve gerilim kazancı da yeterli ise osilatör çalışmaktadır. Bir osilatörün düzgün çalışabilmesi için Barkhausen kriterini sağlaması gerekmektedir. Barkhausen kriteri kuvvetlendirici kazancı A ve osilatörün geri besleme faktörü β (s) arasındaki bir ilişkidir ve e eşit olmalıdır. Yani, Aβ ( s) (-) A : Kuvvetlendirici kazancı β (s) : Osilatörün geri besleme faktörü -

2 Amplifier A Output Feedback network β Frequency selector Fig. - Osilatörün temel blok diyagramı Bizim deneylerimizde tranzistör osilatörleri kullanılacaktır. i c -v be karakteristiği lineer olmayan bir tranzistör kuvvetlendiricisi bir genlik limitleyici olarak görev görür. Çevrim kazancı e eşit olduğu zaman, limitleme fonksiyonu olan bir osilatöre aynı zamanda kendiliğinden limitli(self-limiting) osilatör de denmektedir. Bu nedenle, bu tür osilatör devreleri çıkışlarına başka genlik limitleyiciler eklenmesine gerek duymazlar. olpitts Osilatörü olpitts osilatörünün A eşdeğer devresi Fig.- de gösterilmiştir. paralel rezonans devresi tranzistörün baz ve kolektörü arasına bağlanmış olduğundan dolayı, kısmi geri besleme gerilimi ve tarafından oluşturulan gerilim bölücü üzerinden emetörü besler. Bu devrede R, tranzistörün çıkış direnci, yük direnci ve de bobin ve kapasitansın eşdeğer direnç toplamını göstermektedir. Eğer frekans çok yüksek değilse, tranzistörün iç kapasitansları ihmal edilebilir ve olpitts osilatörünün osilasyon frekansı da aşağıdaki formülle hesaplanabilir. f o π ( + ) (Hz) (-) -

3 Output R Fig. - olpitts osilatörünün A eşdeğeri olpitts osilatör devresinde, geri besleme faktörü β, / değerinde ve gerilim kazancı A da g m R değerindedir. - denklemine göre, Aβ ( s) değerleri yerine koyarsak R g m yada g m R elde ederiz. Osilasyonun başlaması için çevrim kazancının en az olması gerekir, bu nedenle de osilasyon koşulu şu şekilde ifade edilir; g m R Fig. -3, pratik bir olpitts osilatör devresi göstermektedir. R, R, R 3 ve R 4, tranzistörün kutuplamasını belirlemektedir., kuplaj kapasitesi ve, bypass kapasitesidir. Osilasyon frekansı, 3, 4 ve tarafından belirlenmektedir. -3

4 +V pf R kω R3 kω Q µ F Output R kω R4 kω. µ F 4.5 µ F 7 µ H Fig. -3 olpitts osilatör devresi Hartley Osilatörü Hartley osilatörünün A eşdeğer devresi Fig.-4 de gösterilmiştir. Yapı, olpitts osilatörüne benzemektedir. Paralel rezonans devresi, baz ve kolektör arasına bağlanmıştır ancak iki kapasite yerine ve bobinleri kullanılmıştır. R direnci, tranzistörün çıkış direnci, yük direnci ve de kapasite ve bobinlerin eşdeğer dirençleri toplamını göstermektedir. Eğer çalışma frekansı çok yüksek değilse, tranzistörün iç kapasite değerleri ihmal edilebilir. Bu durumda osilasyon frekansı paralel rezonans devresindeki eleman değerleri ile belirlenir. Frekans aşağıdaki formül ile hesaplanabilir : f (Hz) (-4) π ( + ) -4

5 Output R Fig.-4 Hartley osilatörünün A eşdeğer devresi Hartley osilatör devresinde, geri besleme faktörü β nın değeri / ve gerilim kazancı A nın değeri ise g m R dir. (-) denklemine göre, Aβ ( s) değerleri yerine koyarsak R g m yada g m R elde ederiz Osilasyonun başlaması için çevrim kazancının en az olması gerekir, bu nedenle de osilasyon koşulu şu şekilde ifade edilir; g m R (-5) Fig. -5, pratik bir Hartley osilatör devresini göstermektedir. R, R, ve R 3 dirençleri tranzistör için kutuplamayı sağlamaktadırlar., kuplaj kapasitesi ve de bypass kapasitesidir. 3, ve elemanları rezonans devresini oluştururlar ve çalışma frekansını belirlerler. -5

6 + V pf R kω Q 945 Output 68 µ H R R3 3 k.7 k. F Ω Ω µ pf.7 µ H Fig. -5 Hartley osilatör devresi Yukarıda bahsedilen osilatörler dışında, pratik uygulamalarda kullanılan bir çok başka osilatörlerde mevcuttur. Bunlardan bazıları, düşük frekanslı uygulamalar için R faz kaydırmalı ve Wein köprü osilatörleri, yüksek kararlılıklı uygulamalar için lapp ve Pierce osilatörleridir. Genellikle, düşük güç tüketimli, çok yüksek ve kararlı Q ya sahip olan kristal kullanımından dolayı, yüksek frekans uygulamalarında Pierce osilatörü en çok kullanılan osilatör tipidir..3 GEREKİ EKİPMANAR. K-9 Modülü. K-93 Modülü 3. Osiloskop 4. R metre (Empedans Analizörü).4 DENEYER VE KAYITAR Deney - olpitts Osilatörü. K-93 modülü üzerine olpitts osilatör devresini yerleştirin. 3.µF, 4.5µF ve 7 olacak şekilde devre elemanlarını ayarlamak için J ve J3 e bağlantı konnektörlerini yerleştirin. -6

7 . Osiloskopun dikey girişini(vertical input) A pozisyonuna ayarlayın ve çıkış terminallerine(o/p) bağlayın. Dalga şeklini ve frekansı gözleyin ayrıca Tablo- e kaydedin. Eğer devre uygun bir şekilde çalışmıyorsa, tranzistörün D kutuplamasını tekrar gözden geçirin. 3. J ve J3 den bağlantı konnektörlerini sökün. R metre kullanarak, 3, 4, ve değerlerini ölçün, sonuçları Tablo- e kaydedin ve daha sonra çıkış frekansını hesaplayın ü 5 (pf), 4 ü 6 (pf) ve i (.7) olarak değiştirmek için bağlantı konnektörlerini J ve J4 e bağlayın.. ve 3. adımları tekrarlayın. Deney - Hartley osilatörü. K-93 modülü üzerine Hartley osilatör devresini yerleştirin. 68,.7 ve 3 pf olacak şekilde devre elemanlarını ayarlamak için J ve J3 e bağlantı konnektörlerini yerleştirin.. Osiloskopun dikey girişini(vertical input) A pozisyonuna ayarlayın ve çıkış terminallerine(o/p) bağlayın. Dalga şeklini ve frekansı gözleyin ayrıca Tablo- ye kaydedin. Eğer devre uygun bir şekilde çalışmıyorsa, tranzistörün D kutuplamasını tekrar gözden geçirin. 3. J ve J3 den bağlantı konnektörlerini kaldırın. R metre kullanarak, 3, 4, ve değerlerini ölçün, sonuçları Tablo- e kaydedin ve daha sonra çıkış frekansını hesaplayın ü 4 (5pF), i 3 (47) ve yi 4 (47) olarak değiştirmek için bağlantı konnektörlerini J ve J4 e yerleştirin.. ve 3. adımları tekrarlayın. -7

8 Tablo Çıkış Dalga Şekli Nominal..5 7 µf µf Ölçülen Hesaplanan f Ölçülen f Nominal.7 pf pf Ölçülen Hesaplanan f Ölçülen f -8

9 Tablo - 3 Çıkış Dalga Şekli Nominal 68.7 pf Ölçülen Hesaplanan f Ölçülen f Nominal pf Ölçülen Hesaplanan f Ölçülen f.5 SORUAR. - ve - deneylerinde, ölçülen ve hesaplanan değerler birbirlerini tutuyor mu? Açıklayınız?. Fig. -3 de gösterilen olpitts osilatör devresindeki her bobin ve kapasitenin görevi nedir? 3. 5MHz osilasyon frekansı için, Fig.-5 de gösterilen Hartley osilatör devresinde bulunan 3,, ve değerlerini belirleyiniz. 4. Çalışma frekansı radyo frekansları bölgesinde olduğu zaman, devrenin baskı devre(layout) yapısına ve de hatların(akım yollarının) uzunluğuna niçin daha fazla dikkat ederiz? -9