전자 발진기

Electronic oscillator
일반적인 OP-amprelaxation 오실레이터입니다.

전자 발진기는 종종 사인파, 사각파 또는 삼각파 [1][2][3]등 주기적으로 진동하는 전자 신호를 생성하는 전자 회로입니다.발진기는 직류(DC)를 전원 공급기에서 교류(AC) 신호로 변환합니다.심플한 클럭 제너레이터부터 디지털 기기(계산기 등), 복잡한 컴퓨터나 주변기기 [3]등 다양한 전자 기기에 널리 사용되고 있습니다.발진기에 의해 생성되는 신호의 일반적인 예로는 라디오와 텔레비전 송신기에 의해 방송되는 신호, 컴퓨터와 석영 시계를 조절하는 시계 신호, 그리고 전자 삐삐와 비디오 [1]게임에 의해 생성되는 소리가 있다.

오실레이터는 종종 출력 신호의 주파수로 특징지어집니다.

  • 저주파 발진기(LFO)는 약 20Hz 미만의 주파수를 생성하는 전자 발진기입니다.이 용어는 일반적으로 오디오 신시사이저 분야에서 오디오 주파수 오실레이터와 구별하기 위해 사용됩니다.
  • 오디오 오실레이터는 약 16Hz~20kHz의 [2]오디오 범위에서 주파수를 생성합니다.
  • RF발진기는 약 100kHz~[2]100GHz의 무선주파수(RF) 범위에서 신호를 생성한다.

AC 전원장치에서 DC 전원장치에서 AC 전원을 생산하는 발진기를 보통 인버터라고 합니다.다이오드 기반의 정류기가 등장하기 전에는 마찬가지로 AC전력을 DC로 변환하는 전기기계 장치를 [4]컨버터라고 불렀지만, 현재는 DC-DC 벅 컨버터를 가리키는 용어로 더 일반적으로 사용되고 있습니다.

전자 발진기에는 선형 또는 조화 발진기와 비선형 또는 완화 [2][5]발진기의 두 가지 주요 유형이 있습니다.

크리스털 오실레이터는 현대 전자제품에 널리 사용되며 32kHz에서 150MHz 이상의 주파수를 생성합니다. 32kHz의 크리스털은 시간 유지에 일반적으로 사용되며, 고주파수는 클럭 생성 및 RF 애플리케이션에 일반적으로 사용됩니다.

내부 석영 결정의 공진 특성을 사용하여 주파수를 제어하는 1MHz 전자 발진기 회로.컴퓨터와 같은 디지털 장치의 클럭 신호를 제공합니다.

고조파 발진기

피드백 선형 발진기의 블록 다이어그램. 출력o v가 필터 β(jω)를 통해 입력f v로 피드백되는 증폭기 A.

고조파 또는 선형 오실레이터는 사인파 [2][5]출력을 생성합니다.두 가지 유형이 있습니다.

피드백 발진기

선형 발진기의 가장 일반적인 형태는 피드백 루프에 연결된 트랜지스터 또는 연산 증폭기와 같은 전자 증폭기로, 출력은 주파수 선택 전자 필터를 통해 입력으로 피드백되어 양의 피드백을 제공합니다.앰프에 대한 전원 공급 장치를 처음 켜면 회로 내 전자 노이즈가 0이 아닌 신호를 제공하여 진동을 시작합니다.노이즈는 루프 주위를 이동하며 단일 주파수의 사인파에 매우 빠르게 수렴될 때까지 증폭 및 필터링됩니다.

피드백 오실레이터 회로는 피드백 [2][5]루프에서 사용하는 주파수 선택 필터의 유형에 따라 분류할 수 있습니다.

  • RC 발진기 회로에서 필터는 저항기와 [2][5]캐패시터의 네트워크입니다.RC 발진기는 오디오 범위 등 낮은 주파수를 생성하는 데 주로 사용됩니다.RC 오실레이터 회로의 일반적인 유형은 위상 편이 오실레이터와 빈 브리지 오실레이터입니다.인덕터 및 저항 필터를 사용하는 LR 발진기도 존재하지만 낮은 주파수에서 사용하기에 적합한 값을 얻기 위해 인덕터의 크기가 필요하기 때문에 훨씬 덜 일반적입니다.

  • LC 발진기 회로에서 필터는 공진기 [2][5]역할을 하는 인덕터(L)와 캐패시터(C)로 구성된 튜닝 회로(종종 탱크 회로)입니다.전하가 인덕터를 통해 콘덴서의 플레이트 사이를 왔다 갔다 하기 때문에 튜닝된 회로는 공진 주파수로 진동하는 전기 에너지를 저장할 수 있습니다.앰프는 회로의 저항 에너지 손실을 보상하기 위해 전력을 추가하고 출력 신호에 전력을 공급합니다.LC 발진기는 신호 발생기, 조정 가능한 무선 송신기 및 무선 수신기의 로컬 발진기 등 조정 가능한 주파수 소스가 필요한 경우 무선 [2]주파수로 자주 사용됩니다.일반적인 LC 발진기 회로는 Hartley, Colpitts[2] 및 Clapp 회로입니다.
두 개의 일반적인 LC 발진기 회로인 Hartley 및 Colpitts 발진기
  • 결정 발진기 회로에서 필터는 압전 결정(일반적으로 석영 결정)[2][5]입니다.결정체는 기계적으로 공진기로 진동하며 진동 주파수에 따라 진동 주파수가 결정됩니다.크리스탈은 매우 높은 Q 계수를 가지고 있으며 튜닝된 회로보다 온도 안정성이 우수하기 때문에 크리스탈 오실레이터는 LC 또는 RC 오실레이터보다 주파수 안정성이 훨씬 우수합니다.수정 발진기는 대부분의 무선 송신기의 주파수를 안정시키고 컴퓨터와 석영 클럭에서 클럭 신호를 생성하는 데 사용되는 가장 일반적인 선형 발진기입니다.수정 발진기는 종종 LC 발진기와 동일한 회로를 사용하며 수정은 동조 [2]회로를 대체합니다. 피어스 발진기 회로도 일반적으로 사용됩니다.석영 결정은 일반적으로 30MHz 이하의 [2]주파수로 제한됩니다.다른 유형의 공진기, 유전체 공진기 및 표면 음향파(SAW) 소자는 마이크로파 범위까지 고주파 발진기를 제어하기 위해 사용됩니다.예를 들어, SAW 발진기는 휴대 [6]전화에서 무선 신호를 생성하기 위해 사용됩니다.

부저항 발진기

(왼쪽) 부저항 발진기의 전형적인 블록도.일부 유형에서는 부저항 장치가 공진 회로와 병렬로 연결됩니다.(오른쪽) 캐비티 공진기의 건 다이오드로 이루어진 부저항 마이크로파 발진기.다이오드의 음의 저항은 캐비티 내의 마이크로파 진동을 자극하여 개구부를 도파관으로 방사합니다.

트랜지스터 및 연산 증폭기 등의 2포트 증폭 활성소자를 사용하는 상기 피드백 발진기 외에 마그네트론 튜브, 터널 다이오드, IMFAT 다이오드 및 건 다이오드 등의 부저항을 [2][5]가진 1포트(2단자) 장치를 사용하여 선형 발진기를 구축할 수 있습니다.음저항 발진기는 일반적으로 마이크로파 범위 이상의 고주파에서 사용됩니다. 피드백 발진기는 피드백 경로의 과도한 위상 이동으로 인해 성능이 떨어지기 때문입니다.

부저항발진기에서 LC회로, 결정 또는 캐비티공진기 등의 공진회로가 부차저항 디바이스 간에 접속되어 DC 바이어스 전압이 인가되어 에너지가 공급된다.공진회로 자체는 "거의" 발진기입니다. 들뜨면 전자진동의 형태로 에너지를 저장할 수 있지만, 전기저항 및 기타 손실이 있기 때문에 발진은 감쇠되어 0으로 감소합니다.능동 장치의 음의 저항은 공진기의 (양) 내부 손실 저항을 상쇄하여 사실상 댐핑이 없는 공진기를 생성하고 공진 주파수에서 자발적인 연속 발진을 생성합니다.

음저항 발진기 모델은 다이오드 같은 1포트 장치에 국한되지 않습니다. 트랜지스터 및 튜브와 같은 2포트 증폭 장치가 있는 피드백 발진기 회로도 [7][8][9]음저항을 가집니다.고주파에서는 트랜지스터 및 FET와 같은 3개의 단자 장치도 부저항 발진기에 사용됩니다.고주파수에서는 이러한 디바이스는 피드백루프가 필요 없지만, 한쪽 포트에 부하가 걸리면 다른 쪽 포트에서 불안정해져 내부 피드백에 의해 마이너스 저항을 나타낼 수 있습니다.음의 저항 포트가 튜닝된 회로 또는 공진 공동에 연결되어 진동합니다.[7][8][10]일반적으로 고주파 발진기는 음저항 기술을 사용하여 [7][8][9]설계됩니다.

많은 고조파 발진기 회로 중 일부는 다음과 같습니다.

발진기에 사용되는 활성 장치 및 대략적인 최대 주파수[8]
장치 빈도수.
삼극 진공관 최대 1 GHz
바이폴라 트랜지스터(BJT) 최대 20 GHz
헤테로 접합 바이폴라 트랜지스터(HBT) 최대 50 GHz
금속-반도체 전계효과 트랜지스터(MESFET) 최대 100 GHz
건 다이오드, 기본 모드 최대 100 GHz
마그네트론관 최대 100 GHz
고전자 이동성 트랜지스터(HEMT) 최대 200 GHz
클라이스트론관 최대 200 GHz
건 다이오드, 고조파 모드 최대 200 GHz
IMPATT 다이오드 최대 300GHz
자이로트론관 최대 600 GHz

완화 발진기

주요 기사 : 릴랙세이션 발진기

비선형 또는 완화 발진기는 사각파,[5] 톱니파 또는 삼각파와 같은 비 사인파 출력을 생성합니다.피드백 루프에 연결된 에너지 저장 소자(캐패시터 또는 드물게 인덕터)와 비선형 스위칭 소자(래치, 슈미트 트리거 또는 부저항 소자)로 구성됩니다.스위칭 장치는 저장 소자에 저장된 에너지를 주기적으로 충전 및 방전하여 출력 파형의 급격한 변화를 일으킵니다.

사각파 완화 발진기는 타이머 및 카운터 등의 순차 논리 회로에 클럭 신호를 제공하기 위해 사용되지만, 수정 발진기는 종종 더 높은 안정성을 위해 선호됩니다.삼각파 또는 톱니형 발진기는 아날로그 오실로스코프 및 텔레비전 세트의 브라운관 수평 편향 신호를 생성하는 타임베이스 회로에서 사용됩니다.또한 VCO(전압 제어 발진기), 인버터 및 스위칭 전원 공급 장치, 듀얼 슬로프 아날로그-디지털 변환기(ADC) 및 테스트 장비를 위한 사각파 및 삼각파를 생성하는 함수 발생기에도 사용됩니다.일반적으로 완화 발진기는 낮은 주파수에서 사용되며 선형 발진기보다 주파수 안정성이 떨어집니다.

링 발진기는 액티브 지연 스테이지의 링으로 구성됩니다.일반적으로 링은 홀수 반전단수를 가지므로 내부 링 전압에 대해 하나의 안정된 상태가 존재하지 않는다.대신 단일 트랜지션이 링 주위로 끝없이 전파됩니다.

다음은 보다 일반적인 완화 오실레이터 회로 중 일부입니다.

전압 제어 발진기(VCO)

주요 기사:전압 제어 발진기

발진기는 입력전압 또는 전류에 의해 발진주파수가 일정범위에 걸쳐 변화하도록 설계할 수 있다.이러한 전압 제어 발진기는 발진기의 주파수가 다른 발진기의 주파수로 잠길 수 있는 위상 잠금 루프에 널리 사용됩니다.이것들은, 현대의 통신 회로에 어디에나 존재해, 필터, 변조기, 복조기에 사용되고, 라디오나 텔레비전의 튜닝에 사용되는 주파수 신시사이저 회로의 기초를 형성하고 있습니다.

무선주파수 VCO는 보통 발진기 회로의 동조회로 또는 공진기에 바락터 다이오드를 추가하여 만들어집니다.배액터 전체에서 DC 전압을 변경하면 캐패시턴스가 변경되어 튜닝 회로의 공진 주파수가 변경됩니다.전압제어완화발진기는 전압제어전류원으로 축전 캐패시터를 충전 및 방전함으로써 구성할 수 있다.입력전압을 높이면 캐패시터 충전속도가 증가하여 스위칭이벤트간의 시간이 단축됩니다.

역사

최초의 실용적인 발진기는 19세기에 조명용으로 사용되었던 전기 아크에 기초했다.아크 불빛을 통과하는 전류는 그것의 부정적인 저항 때문에 불안정하고 종종 자발적인 진동으로 인해 아크가 1821년 험프리 데이비, 1822년 [12]벤자민 실리만, 1846년 [13]오귀스트 아서 드 라 리브, [14]1878년 데이비드 에드워드 휴즈에 의해 발견되었던 쉬익, 콧노래 또는 울부짖는[11] 소리를 냅니다.1888년 에른스트 레처는 전기 아크를 통과하는 전류가 [15][16][17]진동할 수 있다는 것을 보여주었다.

발진기는 1892년[18][19] Ellihu Thomson에 의해 LC 튜닝 회로를 전기 아크와 병렬로 배치하고 자기 블로아웃을 포함하여 제작되었습니다.같은 해에 조지 프란시스 피츠제럴드는 공진회로의 감쇠저항이 0 또는 음이 될 경우 회로가 진동을 발생시키고 발전기를 사용하여 음저항 발진기를 구축하려고 했지만 성공하지 못했다는 것을 깨달았습니다. 이 발진기는 현재 파라메트릭 [20][11]발진기라고 불리게 됩니다.아크 발진기는 1900년 [21][22]윌리엄 더델에 의해 재발견되고 대중화 되었다.런던 기술 대학의 학생인 Duddell은 쉬익하는 아크 효과를 조사하고 있었다.그는 아크 램프의 전극에 LC 회로(튜닝 회로)[11]를 부착하고 튜닝 회로의 아크 들뜸 발진의 부저항을 조사했다.에너지의 일부는 아크에 의해 음파로 방출되어 음색을 만들어 냈다.더델은 런던전기공학회 앞에서 국가 "God Save the Queen"[11]을 연주하기 위해 호를 가로질러 다른 튜닝된 회로를 순차적으로 연결하여 발진기를 시연했습니다.Duddell의 "노래하는 아크"는 오디오 범위 이상의 주파수를 생성하지 않았습니다.1902년 덴마크 물리학자 발데마르 폴센과 P.O. Pederson은 1920년대에 [23][24][25]사용된 최초의 연속파 무선 송신기인 Poulsen 아크 무선 송신기를 발명하면서, 아크를 자기장과 함께 수소 대기에서 작동시킴으로써 생성되는 전파 범위를 늘릴 수 있었다.

병렬 로드 전송 선로 공진기(Lecher line)를 사용하는 1938년식 120MHz 발진기.전송선은 UHF 발진기에 널리 사용됩니다.

진공관 피드백 발진기는 1912년경에 발명되었는데, 그 때 최근에 발명된 오디오 진공관의 피드백("재생")이 진동을 발생시킬 수 있다는 것이 발견되었다.비록 그들 모두가 발진기의 [26][27]발명에 역할을 한다고 말할 수는 없지만, 적어도 6명의 연구자들이 독립적으로 이 발견을 했다.1912년 여름, 에드윈 암스트롱은 오디오 라디오 수신기[28] 회로에서 진동을 관찰했고 재생 [29][30]수신기의 발명에 긍정적인 피드백을 계속 사용했습니다.오스트리아의 알렉산더 마이스너는 1913년 [28][31]3월에 독립적으로 긍정적인 피드백을 발견하고 발진기를 발명했다.제너럴 일렉트릭의 어빙 랭뮤어는 [31]1913년에 피드백을 관찰했다.프리츠 로웬슈타인은 1911년 [32]말에 조잡한 발진기를 가지고 다른 사람들보다 앞서 있었을지도 모른다.영국에서 H. J. Round는 1913년에 증폭 [28]및 진동 회로를 특허 취득했습니다.1912년 8월, 오디오의 발명가 리 드 포레스트도 증폭기의 진동을 관찰했지만,[35] 그는 그 의미를 이해하지 못하고 1914년 암스트롱의 특허를 읽기 전까지 그것을 제거하려고[33][34] 노력했고, 그는 즉시 이의를 제기했다.[36]암스트롱과 드포레스트는 "라디오 역사상 가장 복잡한 특허 소송"[38]으로 불리는 "재생" 발진기[36][37] 회로에 대한 권리를 놓고 오랜 법정 다툼을 벌였다.드포레스트는 결국 1934년 대법원에서 기술적인 이유로 승소했지만 대부분의 소식통들은 암스트롱의 주장이 더 [34][36]강하다고 보고 있다.

가장 널리 사용되는 최초의 완화 발진기 회로인 아스타블 멀티 바이브레이터는 1917년 프랑스 엔지니어 앙리 아브라함과 유진 [39][40][41]블로흐에 의해 발명되었다.다른 진공관 발진기의 사인파 신호에 비해 사각파 신호는 [40][41]고조파가 풍부했기 때문에 그들은 교차 결합, 이중 진공관 회로를 멀티 바이브레이트라고 불렀습니다.

진공관 피드백 발진기는 1920년까지 무선 전송의 기반이 되었다.그러나 3극 진공관 발진기는 전극 간 [citation needed]캐패시턴스 때문에 300MHz 이상에서는 성능이 저하되었습니다.더 높은 주파수에 도달하기 위해, 새로운 "통과 시간"(속도 변조) 진공관이 개발되었는데, 이 진공관은 전자가 튜브를 통해 "분치"로 이동한다.그 중 첫 번째는 UHF 범위에서 전력을 생산하는 최초의 튜브인 바크하우젠-쿠르츠 발진기(1920년)였다.가장 중요하고 널리 사용되는 것은 클라이스트론(R.과 S.)이었다.Varian, 1937년) 및 캐비티 마그네트론(J. Randall and H. Boot, 1940년).

현재 바크하우젠 기준이라고 불리는 피드백 진동의 수학적 조건은 1921년 하인리히 게오르크 바크하우젠에 의해 도출되었다.비선형 전자 발진기 모델의 첫 번째 분석인 반 데 폴 발타사르 반 데 폴은 [42]1927년에 실시했습니다.그는 실제 발진기에서 진동(한계 주기)의 안정성은 증폭 장치의 비선형성에 기인한다는 것을 보여주었다.그는 "완화 진동"이라는 용어를 창안했으며 선형 발진기와 완화 발진기를 구별한 최초의 인물이다.1930년대에 Hendrik Wade Bode와 Harry Nyquist에[43] 의해 진동에 대한 수학적 분석이 더욱 발전하였다.1969년에.구로카와 씨는 현대 마이크로파 발진기 설계의 [10]기초를 이루는 부저항 회로에서 [44]발진에 필요한 충분한 조건을 도출했습니다.

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추가 정보

외부 링크

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