De oscillatoren.

Oscillatoren zijn een bouwsteen uit de elektronica welke mogelijk het meest gebruikt worden. We vinden ze terug in zowat alle consumentenelektronica als TV, computers, radio, uurwerk.... Allen maken gebruik van zelfde principes en beantwoorden aan gelijke criteria.
Typologie :
Er bestaan veel varianten voor oscillatoren. De tabel hiernaast laat een bepaalde groepering zien. Het gaat om een willekeurige manier van indelen maar in radio elektronica gebruikt zijn de sinusoïdale oscillatoren vast of variabel. De niet sinusvormige kunnen vast of variabel zijn.	Sinusoïdaal vast quartz veranderbaar LC VCO niet sinusoïdaal relaxatie Trapesium vorm multivibratoren.
Waarom oscilleert een oscillator ?
	Een oscillator bestaat uit een versterker waarvan een deel van het uitgangssignaal opnieuw aan de ingang wordt geïnjecteerd. Men kan met reden opmerken dat we dit reeds deden om het gedrag van een versterker stabieler te maken, de bandbreedte van de versterker te vergroten... Dit is zeker waar maar hier doen we het terugvoeren van dat deel van de uitgang op een bepaalde manier en wel in fase.
We noemen A de winst van de versterker en R de winst (weliswaar negatief) van de terugkoppeling. Opdat een systeem zou oscilleren moet aan volgende voorwaarde voldaan worden: A . R > 1          Eens de oscillator gestart wordt AR = 1, indien AR<1 dan zal de oscillatie stoppen.
Dat terugkoppelen of tegenkoppelen daar zit het hem. Voldoende groot maar rekening houden met de faze en dus aangepast.	Uw voelt het aan opdat oscillaties zou optreden wordt de schakkeling nogal wispelturig. Sommige zullen vlot werken en anderen krijgen we niet aan de praat.
Op welke manier wordt de uitgang naar de ingang geïnjecteerd ?
Meerdere methodes sttan ter beschikking. De namen zijn meestal descriptief van de montage. In eerste instantie zullen we de klassieke modellen zien. Dit zijn de Colpitts, Pierce, Hartley (volgens de namen van de uitvinders). We gaan nu de manieren van koppelen nagaan welke verschillend zijn.
Uw weet het nog zeker: er bestaan drie basis schakelingen die allen een gedrag ten opzichte de fazedraai bij versterking hebben. We kunnen al dan niet een deel van de uitgangsspanning afnemen met een bepaalde fase.	Gemeenschappelijke emitter 180 defazering Gemeenschappelijke collecter geen defazering Gemeenschappelijke basis geen defazering
De RC kring RC:
	Hiernaast het schema. Bemerkingen: - De versterker is van het type gemeenschappelijke emittor met een defazering van 180 ° ten opzichte van de ingang. - Deze versterker wordt in klasse A gepolariseerd om een zo zuiver mogelijk signaal te bekomen.
Indien nodig, ga terug naar het hoofdstuk met de R C kringen. Drie basis kringen zijn hier in gebruik. Elk deel zorgt voor een verschuiving van 60 ° wat ons voor de ganse kring op 180 ° brengt. Anderzijds wordt de uitgang correct verzwakt om juist tot de voorwaarde te komen opdat de schakeling zou trillen. Niet teveel of vervorming mag je verwachten maar ook niet te weinig of de kring start niet.	Bij correcte dimensioneren zal alles naar wens verlopen en omdat de elementen frequentie afhankelijk zijn gebeurt het trillen op een enkele frequentie. Men zegt dan, de kring werkt selectief. De keuze van R en C staat voor de frequentie.
Op welke wijze start de oscillator ?
Een niet te onderschatten probleem bij oscillatoren is juist dat opstarten. Dit moet "vrank" en zuiver gebeuren. Men kan dat controleren door meermaals de start procedure door het snel aan en afzetten van de voeding van Uw te testen schakeling en meten met bijvoorbeeld een oscilloscoop of RF multimeter. Nu wat uitleg: Bij het aanzetten van de schakeling wordt de gemiddelde stroom verstoord en ontstaat een bepaalde elektrische ruis in diverse elementen. deze ruis wordt natuurlijk versterkt. Van ruis weten we dat deze is samengesteld door een zeer groot aantal componenten verdeeld over het frequentie spectrum (zeer grote bandbreedte). In heel die rommel zou het verwonderlijk zijn dat die frequentie waarvoor de fazen draai niet precies 180 ° zou zijn. Hierdoor start de oscillator.
Met een LC kring:
De werking is te vergelijken met hoger (opnieuw aanleggen aan de ingang van een geschikt terug gekoppeld signaal). We gebruiken nu de onderdelen voor afgestemde kringen de spoel L en capaciteit C. Door een van beide regelbaar te maken ziet U direct dat de oscillator in frequentie regelbaar is.	Hoofdzakelijk wordt de frequentie van de oscillator door de waarden van L en C bepaald. Maar onderschat toch maar niet de zogenaamd parasitaire elementen die bij elk soort schakeling ter te vinden zijn. Het gaat vooral om de C. Parasitaire elementen kunnen nogal wat roet in het eten strooien.
De frequentie zal ongeveer deze zijn bepaald door de wel gekende formule van Thomson: LCω2 = 1
Een voorbeeld van een oscillator met LC :
	Voor de eenvoud gaan we er vanuit dat de schakeling oscilleert. Het signaal vinden we natuurlijk op de collector terug. L2 in serie vertoont een grote rectantie (inductantie). Hierdoor kan het hf deel NIET via de voeding vloeien. Het RF wordt naar de ingang terug gekoppeld waar zich een parallel trilkring bevindt. Deze bestaat uit een spoel L1 parallel aan een serie schakeling van C1 en C2. Het gedeelte over C2 wordt aan de basis van de versterker gekoppeld. Bij correcte keuze van de elementen zal de kring gaan oscilleren.
We herhalen: door bv L of C te veranderen zal ook de frequentie veranderen. Dus tamelijk eenvoudig toch.
Verschillende types van oscillatoren :
Eigenschappen en beschrijving van de meest voorkomende oscillatoren komen hier aan bod.	Grote verschillen zijn er niet. Algemene principes zijn gelijk voor allen.
De Colpitts Oscillator met gemeenschappelijke emittor.
	Wel , dit hebben we al gezien. Voor een beter begrip herleiden we de zaak tot wat meer eenvoud door een equivalent schema te bekijken. Dit is duidelijk eenvoudiger toch ?
De collector belast een parallel afgestemde kring, zover is duidelijk. Een deel van het RF wordt opgevangen over C2 en aan de basis geïnjecteerd. Dit laatste zal de kring doen trillen. Bedenk dat we met de vooral parasitaire elementen die capacitief zijn (vooral) moeten rekening houden. De eigen capaciteiten van de transistor spelen ook mee. De colpitts was de eerste soort door radio amateurs gebruikt, maar gaf ontstaan aan varianten op dit type.
Een Colpitts met gemeenschappelijke basis
Hieronder ziet U datt schema. U weet het toch nog, en merk dat de basis voor RF via C3 (voldoende groot) aan de aarde ligt. Het grote voordeel is dat de eigen capaciteit van de collector naar basis teniet wordt gedaan. Het partieel RF signaal nodig voor het oscilleren veroorzaak variaties van de polarisatie van de transitor met variatie van Ic als gevolg.
	Door C3 zal de oscillator op een wat hogere frequentie werken dan het model met de emittor aan de massa. Een Colpitts oscillator is te herkennen aan de capacitieve spanningsdeler.
De Clapp oscillator
Men aanziet de Clapp oscillator als een verbetering van de Colpitts. Bij de Colpitts oscillator is zeer gevoelig voor de aanwezigheid van parasitaire capaciteiten. Door de aanwezigheid van C3 in serie in de afgestemde kring wordt de wel frequentie beïnvloed. Schema :
	Om de frequentie van het geheel te bepalen passen we de formule van Thomson toe door het gebruik van C3 als C in de formule. De Clapp is stabieler dan de Colpitts We herkennen dit type Clapp door de condensator in serie met de afstemspoel. Verder lijkt hij op de Colpitts.
De oscillator Hartley
Hier vinden we twee spoelen in serie in plaats van de capacitieve spanningsdeler. Eigenlijk gaat het om een spoel met een aftakking. De Hartley is een van de eerste oscillatoren in het radio domein gebruikt.
	Het werkings principe zal U nu wel bekend zijn. De collector belast de afgestemde kring. De frequentie wordt gedicteerd door de spoelen L1 + L2 en C. Een voldoende deel van het RF over L2 wordt aan de basis van de transistor gelegd waardoor de oscillatie onderhouden wordt. Reeds gesteld, er is maar 1 spoel MET een aftakking. Verplaatsing van de aftakking ten opzichte de massa bepaald het deel dat wordt terug gekoppeld. Men herkend de Hartley oscillator door de aanwezigheid van de spoelen (spoel met aftakking).
De VCO : Voltage Controlled Oscillators of oscillateurs gestuurd door spanning :
Het gebruik van spanning om de frequentie te sturen wordt veel toegepast, daarom wat aandacht. Effe herhalen, we kunnen de frequentie doen veranderen door ofwel de spoel te laten variëren door met magnetisch materiaal in te werken ofwel een veranderlijke condensator te gebruiken. Remember: de varicap diode is een diode waarvan de waarde van de capaciteit bij middel van een veranderlijke negatieve spanning kan veranderen. Vervang dus de regelbare condensator door zo een varicap, en voilà. Geen mechanische rommel meer. Let wel dat de minste verandering van aangelegde spanning zal de frequentie doen veranderen. Dus de gebruikte voeding moet een voorbeeldige spanning uitermate stabiel zijn. Deze techniek zien we bij het gebruik van de PLL oscillator (later te zien).
Hierboven een voorbeeld dat we zullen aanpassen. Met wat moeite herkennen we de Hartley oscillator (spoel met aftakking). De frequentie wordt door Cv bepaald. Passen we nu de kring aan zodat varicap diode kan gebruikt worden.
De Vc werd door twee varicap diodes vervangen. Wel moeten we de stuurspanning als volgt aanleggen:
	Het schema hiernaast toont dit. De regelbare weerstanden (trimpot) rond de eigenlijke regelweerstand bepalen de hoogste en laagste limiet van de regeling. Er bestaan steeds beperkingen opdat de kring nog zou oscilleren. Merk tevens de wel zeer ernstige ontkoppelingen om het geheel proper te houden. Lichte variaties hoe klein ook zouden veranderingen van de frequentie betekenen.
Opmerkingen bij het bouwen van oscillatoren :
Bij de constructie van oscillatoren kan heel wat geëxperimenteerd worden. Enkele opmerkingen in dit verband zijn wel op zijn plaats:
Mechanisch zou, moest het mogelijk zijn, beton gebruikt mogen worden. Elke mechanische vibraties of trilling kan vertaald worden in veranderingen in frequenties. Zorg er dan voor om voor de bevestiging van printen en IC (geïntegreerde kringen) dat dit solied gebeurt. Het zelfde geldt voor de VCO. Goede dichting van kastje is geen luxe. Liefst spoelen zonder kern materiaal want door de grotere relatieve invloed kan verglijding van de frequentie gebeuren. Vervorming van spoel kan men vermijden door dikke draad en indien nodig vastgelijmd te gebruiken. Bespaar niet op de kwaliteit van de condensatoren. Mica of styroflex zijn aangeraden. Natuurlijk gaat het om deze condesatoren die in de trilkring gemonteerd zijn. Als voeding gebruikt men best degelijk gestabiliseerde spanningen ontkoppeld aan de doorvoer van de behuising. Een simpele zener voeding is uitgesloten. Kwaliteit voor stabiliteit weet je?.
Eigenschappen van oscillatoren :
In het kort een overzicht voor zowel veranderbare als vaste oscillatoren.
Type van oscillatoren Vooral de twee eerste en eventueel derde zijn belangrijk.	Hartley Colpitts Clapp Vackar Seiler Andere
Frequentie band.	Indien het gaat om veranderlijke oscillator dan kan men enige maat definiëren als zijnde het aantal % ten opzichte de centrale frequentie dat kan gevarieerd worden. Een voorbeeld: een type met VCO zou van 5 tot 5,5 MHz of 10% kunnen variëren.
Niveau van het uitgangs signaal.	Dit is het vermogen dat kan in mW of dbm uitgedrukt worden over 50 Ω
Amplitude vervorming.	Het verschil in niveau tussen beide alternanties is de amplitude vervorming (onder of boven de nul verschillend). Men kan het een beetje zien als AM gemoduleerd door een stoorsignaal.
Faez vervorming of faze ruis (spectrale zuiverheid).	Zou wel eens de voornaamste oorzaak van problemen kunnen zijn. Er ontstaat een verandering van de fase over een cyclus en veroorzaakt ruis. Links ziet U een spectraal overzicht van een oscillator. De amplitude wordt in functie van de frequentie uitgedrukt en niet in functie van de tijd zoals dit met een oscilloscoop het geval is. Men kan de faze ruis op volgende manier kwantificeren: Over een bandbreedte van 1 Hz wordt het vermogen van de faze ruis over een afstand van x kHz ten opzichte van de centrale frequentie gemeten. Het vermogen op de centrale frequentie bedraagt Ps maar op x kHz is dat Pssb. De verhouding bepaald de faze ruis en wordt uitgedrukt als cdC (carrier)/Hz of in db ten opzichte de drager per Hz over een afstand van x kHz.
Stabiliteit.	Is die eigenschap dat een oscillator preciezer op de frequentie oscilleert. Men drukt dit in ppm (part per million) en dit in functie van de tijd.
De PLL (Phase lock Loop) :
Voor de volledigheid, maar toch belangrijk, halen we hier de PLL aan. In veel gevallen kan dit soort oscillator de andere gunstig vervangen. We vinden dit type in een groot aantal toestellen terug (in computers, zender/ontvangers...) Voordien was dat de kwarts of kristal oscillator om reden van stabiliteit en precisie de beste keuze. Men evolueert...
Het te bereiken doel :	Afleveren van een stabiel sinusvormig signaal over een zekere frequentie band maar stabiel en in faze.
Beperkingen van een "klassiek" oscillator:	De gangbare klassieke LC oscillators hebben een ernstige beperking met betrekking de werkfrequentie. Bij gebruik in verband met SSB (single side band) en CW (morse) is een stabiel signaal onontbeerlijk. Vervorming van de stem of CW toon (klank) is in dat andere geval de bestraffing. Voor radio signalen boven de 15 tal MHz wordt het moeilijk.
Een oplossing:	Men maakt een vergelijk van de oscillator frequentie ten opzichte een uiterst precies en stabiel referentie signaal.
Hierboven merkt U het blokschema van een vergrendelde faze systeem, ook wel Sytheziser genoemd. Het gaat hier niet om een recent of nieuw concept. Wel was het wachten naar de technologie die de bouw rendabel en reproduceerbaar maakte. Hoe gaat dit nu in zijn werk ?
We zien hier links in het eerste vak een beschrijving van de referentie oscillator.	Het gaat om een gewoon kristal oscillator (studie hiervan wat verder in de cursus). De voornaamste eigenschap is de stabiliteit van de oscillator en dat is nu juist onontbeerlijk. Zoals U kan merken is de stabiliteit van het kristal de sleutel van een goede werking. Want dit kristal controleert de schakeling. Een stabiliteit van 2 à 5 PPM in een normaal temperatuur gamma is heden geen groot probleem meer. Een frequentie van bv: 5 à 10 MHz is veel voorkomend.
Het tweede deel is de faze comparator.	Merk de twee in en één uitgang(en). Aan de twee ingangen liggen de te vergelijken signalen. De uitgang vertoont zowel in vorm, frequentie als niveau het fout of verschil signaal dat verderop gebruikt zal worden.
Het derde deel toont het filter van de lus.	De benaming legt een en ander uit. De uitgang van de comparator wordt herleid tot zulk een signaal opdat dit geschikt voor het aansturen van de VCO (voltage Controled Oscollator) zou zijn.
Het virde deel is de VCO (spanning gestuurd).	Zoals gezegd stuurt de spanning de oscillator in frequentie. Naar alle waarschijnlijkheid zal een "varicap gestuurde " oscillator toegepast worden. Het resultaat is een signaal met een zeer stabiele frequentie xelke in verband staat met de uiteindelijk signaal van bv: de zender.
Tot slot: een programmeerbaar deler in frequente.	Op de ingang staat het te delen signaal (in frequentie). De uitgang is het in frequentie gedeeld signaal. Fu = Fi/ n is de frequentie dan Fu = uitgangs frequentie, Fi aan de ingang en n.
Stel, we hebben aan de ingang een signaal F van 100 MHz. Natuurlijk zeer stabiel en precies. Dit signaal wordt gedeeld door bv: 100. U weet dat de deler op alle mogelijke waarden kan ingesteld worden en dus ook op 100. Het is duidelijk dat op de uitgang er een signaal van 1 MHz komt te staan. De comparator die ziet twee signalen, één op 1 MHz en het andere komende van de referentie oscillator eveneens op 1 MHz. Na vergelijken staat op de uitgang een signaal dat als de vertaling van de fout (verschil, zeer klein) tussen de twee te vergelijken signalen. In extremis is dat verschil NUL. De filtre stuurt een stabiel niveau naar de VCO die door die spanning op een vaste frequentie oscilleert.
Stel dat de VCO onder invloed van temperatuur overgaat naar 101 MHz. Dit signaal wordt naar de deler gestuurd en 101/100 = 1,01 MHz. De faze comparator ja, die ziet dat verschil en geeft een fout welke gefilterd de VCO in de juist zin corrigeert. M.A.W. , de uitgang van de VCO komt terug op 100 MHz. Dit alles gebeurt supper snel en het lijkt erop dat er geen fout is op getreden.
Stel, onze wens is om de oscillator nu op 90 MHz te laten werken. Eenvoudig, we stellen de deler op 90 in (al dan niet op een display zichtbaar). Bij vergelijk wordt de fout tussen (in eerste instantie) 100 MHz en de 90 MHz (gedeeld) en zal het fout resultaat en filtering voldoende zijn om de VCO op 90 MHz te brengen. (dat hopen we toch). Er ontstaat opnieuw een vergrendeling. Het voorbeeld is vereenvoudigd maar voldoende om enige klaarheid te geven.
Het is om ons te plagen maar ook hier stellen we vast dat een PLL ook nadelen vertoont. Vooral de spectrale zuiverheid is merkbaar (zeker in vergelijk met een kristal oscillator). U voelt het wel, dit resulteert in een minder goed gedrag voor ontvangst en of zenden. Anderzijds mag de mogelijkheid van eenvoudig instellen van frequentie en groot gamma niet vergeten worden.
Tot zover de oscillatoren in het algemeen. Later zien we wel de quarts of kristal oascillatoren.