BÖLÜM X OSİLATÖRLER 0. OSİLATÖRE GİRİŞ Kendi kendine sinyal üreten devrelere osilatör denir. Böyle devrelere dışarıdan herhangi bir sinyal uygulanmaz. Çıkışlarında sinüsoidal, kare, dikdörtgen ve testere dişi gibi sinyaller meydana getirirler. Osilatörler; muharebe sistemlerinde, radar ve test cihazlarında kullanılırlar. Aslında bir osilatör, kendi giriş sinyalini kendi temin eden bir yükselteç devresidir. e i e b Yükselteç e o Be o Geri Besleme Şekil 0. Yükselteçlerde geri besleme Yükselteçlerde geri besleme, bir sistemde enerjinin yüksek seviyeli bir noktadan, alçak seviyeli bir noktaya geçişi olarak tanımlanır. Başka bir ifadeyle, emiteri ortak bir yükseltecin kollektöründeki sinyalin, geri çevrilip beyzine uygulanması işlemine geri besleme denir. Pozitif ve negatif olmak üzere iki çeşit geri besleme vardır. Bir yükseltece, e i gibi giriş sinyali uygulandığında çıkışından e 0 gibi bir sinyal alınır. Çıkış voltajının bir kısmı geri besleme devresi vasıtasıyla girişe geri verilir. Transistöre uygulanan gerçek giriş voltajı (e b ); (e i ) giriş voltajı ve (Be 0 ) geri besleme voltajlarının toplamıdır. Geri besleme varken kullanılan formül; A A FB dir. Bu formülde; ± AB A FB Geri besleme varken yükseltecin kazancı A Geri besleme yokken yükseltecin kazancı B Geri beslemenin % ile ifadesi + Negatif geri besleme durumu - Pozitif geri besleme durumunu gösterir.
Pozitif geri besleme durumunda; e b e i + B.e 0 A.e b e 0 A(e i + Be 0 ) e 0 Ae i + ABe 0 Ae i e 0 - ABe 0 Ae i e 0 ( AB) e0 Ae i e Av e 0 i ( AB) A e0 e0 e0 ( AB) e0 A A ( AB) A Av bulunur. AB Daha fazla kazanç istendiğinde kullanılan geri besleme, pozitif geri beslemedir. Pozitif geri besleme;. Band genişliğini azaltır. 2. Distorsiyonu azaltır. 3. Geri besleme miktarı paydayı sıfır yapacak şekilde büyüdüğünde devre kararsız hale gelerek osilasyon yaparak kendi sinyalini üretir. Yükselteç, osilatör gibi çalışmaya başlar. Bir yükseltecin geri besleme kazancı 0, geri besleme miktarı %5 ise pozitif geri beslemede yükseltecin geri besleme kazancını bulunuz. A 0 B %5 A FB A FB? A FB 20 A AB 0 5 ( 0) 00
Aynı soruyu negatif geri besleme için çözünüz. A FB 0 6,66 5 + 0 00 Bir yükseltecin geri beslemesiz kazancı 50, pozitif geri besleme kullanılarak çıkışın %2 si girişe geri verilmektedir. Yükseltecin geri beslemeli kazancını bulunuz ve sonucu yorumlayınız. A 50 B %2 A FB? A FB 50 50 2 (50 ) 00 50 0 Bu işlemde payda sıfıra gittiği için geri beslemeli kazanç sonsuz olarak bulunmuştur. Dolayısıyla yükselteç kararsız hale gelerek bir osilatör gibi çalışmaya başlar. Osilasyon, osilatör devresinde yükselteç çıkışından girişe uygulanan pozitif geri besleme sonucu oluşan sinüs dalgasıdır. Bir osilatörün meydana getirdiği sinyallerin veya osilasyonların devam edebilmesi için YÜKSELTME, GERİ BESLEME, FREKANS TESPİT EDİCİ ye ihtiyaç vardır. Osilatörler 3 ana başlık altında incelenebilir:. RC osilatörler 2. LC osilatörler 2. Kristal osilatörler Osilatörlerde, devre kayıplarının önüne geçebilmek için kullanılması gereken geri besleme POZİTİF GERİ BESLEME dir. Osilatörlerde, frekans tespit edici olarak direnç ve kondansatör kullanılmışsa RC osc, bobin ve kondansatör kullanılmışsa LC osilatör, kristal kullanılmışsa kristal kontrollü osilatörler adını alır. Genelde osilatörlerde kullanılan yükselteç tertibi emiteri ortaktır.
0.2 OSİLATÖR ÇEŞİTLERİ 0.2. TRANSİSTÖRLÜ FAZ KAYMALI R-C OSİLATÖRÜ Faz kaymalı R-C osilatörü aynı zamanda bir sinüs dalga osilatörüdür. Şekil 0.2 Transistörlü R-C osilatörü Şekil 0.2 de görülen transistörlü R-C osilatör devresinde yükselteç NPN tipi bir transistörle, emiteri ortak bağlantılı olarak tertiplenmiştir. Emiteri ortak yükselteç devresinin beyzi ile kollektörü arasında 80 0 faz farkı vardır. Bu devrenin osilasyon yapabilmesi için çıkış V 0 geriliminin 80 0 faz kaydırılarak girişe (beyz) pozitif geri beslemesi gerekir. Şekil 0.2 deki devrede C -R, C 2 -R 2, C 3 -R B2 : Faz çevirici devre ve frekans tespit edici tertip, R B ve R B2 : Beyz polarmasını sağlayan voltaj bölücü dirençler, R E ve C E : Emiter direnci ve by-pass kondansatörü, R C BC 238 :Geri besleme genlik kontrolü sağlayan kollektör yük direnci, : NPN tipi, yükselteç transistörüdür. C -R ; birinci R-C devresini, C 2 -R 2 ; ikinci R-C devresini ve C 3 -R B2 üçüncü R-C devresini oluşturur. NPN tipi transistörün kollektöründen alınan geri besleme sinyali 80 0 faz kaydırılarak tekrar transistörün beyzine tatbik edilmektedir. Burada her bir R-C devresi 60 0 lik faz kaydırmaya neden olmaktadır. Her bir R-C osilatör devresinde 3 adet R-C devresine ihtiyaç yoktur. Toplam faz kaydırmanın 80 0 ye ulaşması
yeterlidir. Emiteri ortak yükselteç devresinin beyzi ile kollektörü arasında 80 0 faz farkı olduğuna göre kollektör sinyali 80 0 çevrilerek ve pozitif geri besleme olarak transistörün beyzine verilir. Transistörlü RC osilatör devresinin V 0 çıkış sinyalinin frekansı ve genliği geri besleme hattındaki direnç ve kondansatörlerin değerlerine bağlıdır. Her bir R-C devresinin 60 0 faz kaydırması istenirse; R R 2 R B2 R gr olmalıdır. Burada R gr, emiteri ortak yükseltecin giriş empedansıdır. Transistörlü R-C devresinin osilatör frekansı; f formülüyle bulunur. Burada R ve C değeri, frekans RC 2ΠRC 6 + 4( ) R tespit edici tertipteki direnç ve kondansatör değeri, R c ise kollektör yük direncidir. Osilasyon genliği ise RC osilatörde kullanılan yükselteç devresinin kazancına bağlıdır. Frekans tespit edici tertipte R 0 K, C 0 nf olarak seçilirse, devrenin çıkışından alınan sinyalin frekansını bulunuz. f 555, 55Hz 3 Rc 5500,8.0 3 9 2ΠRC 6 + 4 6,28.0.0.0.0 6 + 4 R 0000 0.2.2 OP-AMP LI FAZ KAYMALI R-C OSİLATÖRÜ Şekil 0.3 OP-AMP lı faz kaymalı R-C osilatör
Şekil 0.3 te gösterilen OP-AMP devresi inverting modda olup, 3 adet R-C frekans tespit ediciden oluşmuştur. R f OP-AMP ın kapalı çevrim kazancını belirleyen geri besleme direnci, R ise giriş direncidir. Her bir R-C den oluşan frekans tespit edici tertip 60 0 faz kaymasına neden olur. Toplam 80 0 lik faz kayması meydana gelir. Çıkıştan alınan sinüsoidal sinyalin frekansı; f formülüyle bulunur. 2ΠRC 6 Devrenin osilasyon yapabilmesi için devre kazancının 29 dan büyük olması gerekir. Bundan dolayıdır ki R f 29R olacak şekilde seçilmelidir. Şekil 0.4 OP-AMP lı faz kaymalı osilatörün EWB programında uygulanması OP-AMP lı faz kaydırmalı R-C osilatör devresinde, R f 00 K, R 33 K, R 3,3 K ve C 0, μ F ise devrenin osilasyon yapıp yapmadığını tespit ediniz. Osilasyon yapıyorsa hangi frekansta sinyal ürettiğini bulunuz.
R Av R f 00 30,6 33 Av > 29 olduğundan devre osilasyon yapar. f 97Hz 3 6 2ΠRC 6 6,28.3,3.0.0,.0. 6 0.2.3 ARMSTRONG OSİLATÖR Şekil 0.5 Armstrong osilatör Bu osilatör devresi emiteri ortak bağlı yükselteç ile bu yükseltecin çıkışına bağlanan tank devresinden oluşur. Frekans tespit edici tertip Lp ve C den oluştuğu için L-C osilatör tipine bir örnektir. Tank devresindeki transformatörün sekonderinden (Ls) yükselteç girişine C vasıtasıyla geri besleme yapılmıştır. Burada geri besleme oranı, transformatörün dönüştürme oranına bağlıdır. Osilatörün ürettiği sinüsoidal sinyalin frekansı; f formülüyle bulunur. 2Π Lp. C
0.2.4 SERİ BESLEMELİ HARTLEY OSİLATÖRÜ Şekil 0.6 Seri beslemeli hartley osilatörü Diğer osilatörlerde olduğu gibi bir yükselteç ve L, L 2, C T den oluşan tank devresinden oluşmuştur. L, L 2 ve C T den oluşan tank devresi yükselteç ile +V CC güç kaynağı arasına seri bağlanmıştır. Bu nedenle bu devreye seri hartley osilatörü denir. Devreye dikkat edilirse; doğru akım, topraktan itibaren R E direnci, NPN tipi transistör, L ve R C üzerinden +V CC tatbik voltajına ulaşır. Tank devresinin bir kısmı +V CC güç kaynağı ile seri olduğundan devre seri beslemelidir. Tank devresinde L +L 2 L T ise çıkış sinyal frekansı; f formülü ile bulunur. 2Π C T. L T Geri besleme L ve L 2 bobinlerinin orta ucundan, yükseltecin girişine yapılmıştır. Bu devrede ; R B -R B2 : Transistörün beyz polarmasını sağlayan voltaj bölücü dirençler R E -R C : Emiter direnci ve by-pass kondansatörü C L -L 2 -C T C B : Beyz ile toprak arasında oluşan yüksek frekanslı osilasyonları söndüren, devrenin kararlı çalışmasını sağlayan kondansatör. : Frekans tespit edici tertip : Geri besleme kuplaj kondansatörüdür.
0.2.5 PARALEL BESLEMEL HARTLEY OSİLATÖRÜ Şekil 0.7 Paralel beslemeli hartley osilatörü Hartley osilatörlerin diğer tipi paralel hartley osilatörüdür. Seri ve paralel hartley osilatörlerin en belirgin özelliği orta uçlu bobinin kullanılmasıdır. Burada tank devresi, besleme gerilimine paraleldir. DC akım yolu; toprak, R E, NPN tipi transistör, R C ve +V CC besleme kaynağıdır. L -L 2 ve C T den oluşan frekans tespit edici tank devresi, yükselteç üzerinden geçen DC akım yoluna paraleldir. Bundan dolayı, paralel beslemeli hartley osilatörü olarak ta bilinir. Devrede C C ve C gb kondansatörleri, transistörün kollektör ve beyzini L ve L 2 bobininden DC bakımdan ayırır. L ve L 2 bobinleri orta uca sahip tek bir bobindir. Tank devresinin frekansı bobin ve kondansatörün değerine bağlıdır. Devrenin çalışma frekansı seri hartley osilatörde verilen formül ile bulunur. Paralel hartley osilatörde, L T 400μH, C T 00nF ise çıkıştan alınan sinüsoidal sinyalin frekansını bulunuz. f 2.. π. L.C T 6 9 T 6,28. 400.0.00. 0 f 25,8KHz
0.2.6 TRANSİSTÖRLÜ COLPITS OSİLATÖRÜ Şekil 0.8 Transistörlü colpits osilatörü Colpits osilatörlerde, C ve C 2 gibi split kondansatörler, colpits osilatörlerin en belirgin özelliğidir. Bu osilatörün tank devresini L-C ve C 2 elemanları oluşturur. Burada, C ve C 2 seri bağlı olduğundan, tank devresinin eşdeğer kapasite değeri; C T C.C 2 dir C + C2 Osilatörün çıkışından alınan sinüsoidal sinyalin frekansı; f ile bulunur. 2. π. L.CT Colpits osilatör devresinde; R E -C E : Emiter direnci ve by-pass kondansatörü R B -R B2 : Beyz polarmasını sağlayan voltaj bölücü dirençler C 3 : Beyzi AC sinyalde topraklayan by-pass kondansatörü L-C -C 2 : Frekans tespit edici tertip Transistör: Yükseltme elemanıdır.
C ve C 2 nin birleştiği noktadan, transistörün emiterine geri besleme yapılmıştır. Osilatörün çalışma frekansını, kondansatör ve bobin değerleri belirler. Şekil 0.9 Transistörlü colpits osilatörünün EWB programında uygulanması Şekil 0.9 da görüldüğü gibi devrenin çıkışından düzgün bir sinüsoidal sinyal alınır. Pratik uygulamalarda ise C <C 2 olarak seçilir. Transistörlü colpits osilatör devresinde frekans tespit edici tertipteki L 00mH, C 5nF, C 2 0nF ise çıkıştan alınacak sinüsoidal sinyalin frekansını bulunuz. 5.0 5 + 0 CT 3,33nF f 2. π. L.C T 6,28. 00.0 3.3,33.0 9 8,73KHz
0.2.7 OP-AMP LI COLPITS OSİLATÖRÜ Şekil 0.0 OP-AMP lı colpits osilatörü OP-AMP ile gerçekleştirilen colpits osilatörü Şekil 0.0 da gösterilmiştir. Osilatörün çalışma frekansı Colpits devresinin LC geri besleme devresiyle ayarlanır. Şekil 0. OP-AMP lı colpits osilatörünün EWB programında uygulanması Osilatörün çalışma frekansı; f, 2. π. L. CT C.C 2 CT formülleriyle hesaplanır. C + C2
OP-AMP ile gerçekleştirilen colpits osilatör devresinde, frekans tespit edici elemanlar C C 2 2μF, L 50mH olduğuna göre devrenin çıkışından alınacak sinüsoidal sinyalin frekansını bulunuz. CT 2.2 2 + 2 μf f 2. π. L.C T 6,28. 50.0 3..0 6 72,4Hz 0.2.8 VOLTAJ KONTROLLÜ OSİLATÖR Voltaj kontrollü bir osilatör ( VCO ), frekansı, DC gerilim ile belirli sınırlar içinde ayarlanabilen, kare veya üçgen dalga üreten bir devredir. Şekil 0.2 555 entegresiyle yapılan voltaj kontrollü osilatör devresi Her bir voltaj kontrollü osilatörde çıkıştan alınan sinyalin frekansı DC tatbik voltajı ile değişmez. Şekil 0.2 deki devrede çıkıştan alınan kare ve üçgen dalganın frekansı, R veya C elemanlarının değiştirilmesiyle mümkündür. Devrenin çalışma frekansı;,44 f formülü ile bulunur. (RA + 2.RB).C
Şekil 0.3 VCO ' nun EWB programında uygulanması 0.2.9 KRİSTAL KONTROLLÜ OSİLATÖRLER Şekil 0.4 Transistörlü kristal kontrollü osilatör Şekil 0.4 te, kristalin seri rezonans frekansında çalışabilmesi için geri besleme yoluna seri olarak bağlanmıştır. Burada geri besleme miktarı en büyük düzeydedir. NPN tipi transistör, yükselteç devresini oluştururken R, R 2 gerilim bölücü devresini oluşturur. RFC ( Radyo Frekans Şok ) bobini ise kollektöre
DC ön gerilimi sağlar ve yüksek frekanslı sinyalleri güç kaynağından izole eder. C C ise, kollektör ile beyz arasında DC bloklamayı sağlar. Devrenin osilasyon frekansı, kristalin seri rezonans frekansı ile belirlenir. Şekil 0.5 Paralel rezonans frekansında çalışan kristal kontrollü osilatör Bir kristalin, paralel rezonansta empedansı maksimum olduğu için Şekil 0.5 te görüldüğü gibi devreye paralel bağlanır. Paralel rezonans frekansında kristalin empedansı yüksek olduğu için üzerindeki gerilim düşümü de maksimum olur. Şekil 0.6 OP-AMP lı kristal kontrollü osilatör devresi
Şekil 0.6 da görüldüğü gibi kristal kontrollü osilatör devresinde OP-AMP kullanılabilir. Bu devrede kristal, geri besleme yoluna seri bağlanmıştır. Dolayısıyla kristal, seri rezonans frekansında çalışır. Bu devrenin çıkışından kare dalga alınır. Tam olarak zener geriliminde çıkış genliğini sağlamak için çıkışa bir çift zener bağlanmıştır. 0.2.0 TRANSİSTÖRLÜ TESTERE DİŞİ JENERATÖRÜ Şekil 0.7 Basit Testere Dişi Jeneratörü Şekil 0.7 deki transistör anahtar gibi çalışmaktadır. Girişe uygulanan V İ sinyali kare dalga olup genliği, transistörü kesim ve doyumda çalıştırabilecek seviyededir. Girişe uygulanan kare dalganın (-) alternansında transistör kesimde olup C kondansatörü, R C üzerinden şarj olur. Girişe uygulanan kare dalganın (+) alternansında transistör doyuma gider ve C kondansatörü, Q transistörü üzerinden deşarj olur. Kondansatörün şarj ve deşarjı ile çıkıştan testere dişi dalga elde edilir.
Şekil 0.8 Basit testere dişi jeneratörünün EWB programında uygulanması Şekil 0.9 da iki transistör ile yapılan testere dişi jeneratör devresinde, tek transistör ile gerçekleştirilen jeneratör devresinde olduğu gibi çıkıştan testere dişi sinyal elde edilir. Şekil 0.9 İki transistör ile yapılan testere dişi jeneratör devresi