Oscylator Hartleya - Hartley oscillator

Hartley oscylatora jest generator drgań obwodu , w którym częstotliwość drgań jest określona przez dostrojony obwód składający się z kondensatorów i cewek indukcyjnych , czyli, oscylator Lc. Układ został wynaleziony w 1915 roku przez amerykańskiego inżyniera Ralpha Hartleya . Cechą wyróżniającą oscylatora Hartleya jest to, że dostrojony obwód składa się z pojedynczego kondensatora połączonego równolegle z dwoma cewkami indukcyjnymi połączonymi szeregowo (lub z pojedynczą cewką indukcyjną), a sygnał sprzężenia zwrotnego potrzebny do oscylacji jest pobierany ze środkowego połączenia dwóch cewek indukcyjnych.

Historia

Oryginalny rysunek patentowy

Oscylator Hartleya został wynaleziony przez Hartleya, gdy pracował dla Laboratorium Badawczego Western Electric Company . Hartley wynalazł i opatentował projekt w 1915 roku, nadzorując transatlantyckie testy radiotelefoniczne firmy Bell System; przyznano mu numer patentowy 1,356,763 w dniu 26 października 1920 r. Zauważ, że podstawowy schemat pokazany poniżej, oznaczony jako „Wspólny obwód Hartleya” jest zasadniczo taki sam jak na rysunku patentowym, z wyjątkiem tego, że rura jest zastąpiona przez JFET i że bateria do ujemnego polaryzacji sieci nie jest potrzebna.

W 1946 r. Hartley został odznaczony medalem honorowym IRE „Za wczesną pracę nad obwodami oscylacyjnymi wykorzystującymi lampy triodowe, a także za wczesne rozpoznanie i jasne przedstawienie fundamentalnej zależności między całkowitą ilością informacji, które mogą być przesyłane przez system transmisji o ograniczonej szerokość pasma i wymagany czas." (Druga połowa cytatu odnosi się do pracy Hartleya w teorii informacji, która w dużej mierze odpowiada Harry'emu Nyquistowi .)

Operacja

Obwód Hartley wspólnego drenażu

Oscylator Hartleya wyróżnia się obwodem zbiornika składającym się z dwóch połączonych szeregowo cewek (lub często cewki odczepowej ) równolegle z kondensatorem, ze wzmacniaczem o stosunkowo wysokiej impedancji w całym zbiorniku LC i stosunkowo niskim napięciu/ punkt wysokiego prądu między cewkami. Oryginalna wersja z 1915 roku używała triody jako urządzenia wzmacniającego w konfiguracji wspólnej płyty (popychacza katodowego), z trzema bateriami i oddzielnymi regulowanymi cewkami. Uproszczony obwód pokazany po prawej stronie wykorzystuje JFET (w konfiguracji wspólnego drenu ), obwód zbiornika LC (tutaj pojedyncze uzwojenie jest odczepiane) i pojedynczą baterię. Obwód ilustruje działanie oscylatora Hartleya:

• wyjście ze źródła JFET ( emiter , jeśli zastosowano BJT ; katoda dla triody) ma taką samą fazę jak sygnał na jego bramce (lub bazie) i mniej więcej takie samo napięcie jak jego wejście (które jest napięciem na cały obwód zbiornika), ale prąd jest wzmacniany , tzn. pełni rolę bufora prądu lub źródła napięcia sterowanego napięciem .
• to wyjście o niskiej impedancji jest następnie doprowadzane do odczepu cewki, skutecznie do autotransformatora , który zwiększy napięcie, wymagając stosunkowo wysokiego prądu (w porównaniu z tym dostępnym na górze cewki).
• z rezonansem cewki kondensatora , wszystkie częstotliwości inne niż dostrojona będą miały tendencję do pochłaniania (zbiornik będzie wyglądał na prawie 0 Ω w pobliżu DC ze względu na niską reaktancję cewki indukcyjnej przy niskich częstotliwościach i ponownie niskie przy bardzo wysokich częstotliwościach ze względu na kondensator ); przesuną również fazę sprzężenia zwrotnego od 0° potrzebnego do oscylacji przy wszystkich częstotliwościach poza dostrojoną.

Odmiany prostego obwodu często obejmują sposoby automatycznego zmniejszania wzmocnienia wzmacniacza w celu utrzymania stałego napięcia wyjściowego na poziomie poniżej przeciążenia; Powyższy prosty obwód ograniczy napięcie wyjściowe ze względu na przewodzenie bramki na dodatnich szczytach, skutecznie tłumiąc oscylacje, ale nie przed wystąpieniem znacznych zniekształceń ( nieuczciwych harmonicznych ). Zmiana uzwojonej cewki na dwie oddzielne cewki, jak na oryginalnym schemacie patentowym, nadal daje działający oscylator, ale teraz, gdy dwie cewki nie są sprzężone magnetycznie, indukcyjność, a więc częstotliwość, obliczenia muszą zostać zmodyfikowane (patrz poniżej) i wyjaśnienie mechanizmu wzrostu napięcia jest bardziej skomplikowane niż scenariusz z autotransformatorem.

Zupełnie inną implementacją wykorzystującą cewkę odczepową w układzie sprzężenia zwrotnego zbiornika LC jest zastosowanie stopnia wzmacniacza ze wspólną siatką (lub ze wspólną bramką lub wspólną podstawą), który nadal jest nieodwracający, ale zapewnia wzmocnienie napięciowe zamiast wzmocnienia prądowego ; odczep cewki jest nadal podłączony do katody (lub źródła lub emitera), ale jest to teraz wejście (o niskiej impedancji) do wzmacniacza; obwód dzielonego zbiornika obniża teraz impedancję ze stosunkowo wysokiej impedancji wyjściowej płyty (lub drenu lub kolektora).

Porównanie oscylatora Hartleya i Colpittsa

Oscylator Hartleya jest podwójnym oscylatorem Colpittsa, który wykorzystuje dzielnik napięcia złożony z dwóch kondensatorów zamiast dwóch cewek indukcyjnych. Chociaż nie ma wymogu wzajemnego sprzężenia między dwoma segmentami cewki, obwód jest zwykle realizowany za pomocą cewki odczepowej, ze sprzężeniem zwrotnym pobieranym z odczepu, jak pokazano tutaj. Optymalna upust (lub stosunek indukcyjności cewki) w zależności od urządzenia wzmacniającego użycia, który może być tranzystor bipolarny , tranzystor polowy , triody lub wzmacniacz prawie każdego typu (nieodwracający w tym przypadku, pomimo zmian w obwodzie z uziemiony punkt środkowy i sprzężenie zwrotne ze wzmacniacza odwracającego lub kolektora/drenu tranzystora są również powszechne), ale często stosuje się złącze FET (pokazane) lub triodę jako dobry stopień stabilności amplitudy (a tym samym redukcji zniekształceń ) można osiągnąć za pomocą prostej kombinacji rezystor-kondensator upływu siatki połączonej szeregowo z bramką lub siatką (patrz obwód Scotta poniżej) dzięki przewodnictwu diody na szczytach sygnału, tworząc wystarczająco dużo ujemnego obciążenia, aby ograniczyć wzmocnienie.

Wersja wzmacniacza operacyjnego oscylatora Hartley

Częstotliwość oscylacji jest w przybliżeniu częstotliwością rezonansową obwodu zbiornika. Jeśli pojemność kondensatora zbiornika wynosi C, a całkowita indukcyjność cewki odczepowej wynosi L, to

${\ Displaystyle f = {1 \ ponad 2 \ pi {\ sqrt {LC}}} \,}$

Jeśli stosuje się dwie niesprzężone cewki o indukcyjności L ₁ i L _2, to

${\displaystyle L=L_{1}+L_{2}\,}$

Jeśli jednak dwie cewki są sprzężone magnetycznie, całkowita indukcyjność będzie większa ze względu na wzajemną indukcyjność k

${\ Displaystyle L = L_ {1} + L_ {2} + k {\ sqrt {L_ {1} L_ {2}}} \,}$

Rzeczywista częstotliwość oscylacji będzie nieco niższa niż podana powyżej, z powodu pasożytniczej pojemności cewki i obciążenia przez tranzystor.

Zalety oscylatora Hartleya:

• Częstotliwość można regulować za pomocą jednego zmiennego kondensatora, którego jedna strona może być uziemiona
• Amplituda wyjściowa pozostaje stała w całym zakresie częstotliwości
• Potrzebna jest cewka gwintowana lub dwie stałe cewki indukcyjne i bardzo niewiele innych elementów
• Łatwe stworzenie dokładnej wariacji oscylatora kwarcowego o stałej częstotliwości poprzez zastąpienie kondensatora (rezonansem równoległym) kryształem kwarcu lub zastąpienie górnej połowy obwodu zbiornika kryształem i rezystorem upływowym (jak w oscylatorze Tri-tet ) .

Niedogodności:

• Wyjście bogate w harmoniczne, jeśli pochodzi ze wzmacniacza, a nie bezpośrednio z obwodu LC (chyba że zastosowano obwód stabilizacji amplitudy).

Zobacz też

• Oscylator optoelektroniczny

Bibliografia

• Langford-Smith, F. (1952), Radiotron Designer's Handbook (4 wyd.), Sydney, Australia: Amalgamated Wireless Valve Company Pty., Ltd.
• Rekord, FA; Stiles, JL (czerwiec 1943), „Analityczna demonstracja działania oscylatora Hartleya”, Proceedings of IRE , 31 (6), doi : 10.1109/jrproc.1943.230656 , ISSN  0096-8390
• Rohde, Ulrich L.; Poddar, Ajay K.; Böck, Georg (maj 2005), The Design of Modern Microwave Oscilators for Wireless Applications: Theory and Optimization , New York, NY: John Wiley & Sons, ISBN 0-471-72342-8
• Vendelin, George; Pawio, Anthony M.; Rohde, Ulrich L. (maj 2005), Projektowanie obwodów mikrofalowych przy użyciu technik liniowych i nieliniowych , Nowy Jork, NY: John Wiley & Sons, ISBN 0-471-41479-4

Linki zewnętrzne

• Oscylator Hartleya , zintegrowane publikowanie