Oskillaattori

Oskillaattori on laite, joka tuottaa sähköisen signaalin tietyllä taajuudella. Oskillaattori on tärkeä piiri muun muassa radiojärjestelmän osissa ja digitaalitekniikkaa sisältävissä laitteissa. Radiotekniikassa paikallisoskillaattoria käytetään taajuussekoittimessa siirtämään signaali halutulle radio- tai välitaajuudelle. Tietokoneessa kello-oskillaattori voi värähdellä usean gigahertsin taajuudella, mikä määrää suorittimen kellotaajuuden.

Oskillaattorin lähtösignaalin aaltomuoto on tavallisimmin sini- tai kanttiaaltoa. Elektroniset oskillaattorit luokitellaan sinimuotoista vaihtojännitettä muodostaviin lineaarisiin ja muita aaltomuotoja tuottaviin epälineaarisiin oskillaattoreihin. Joistakin epälineaarisista oskillaattoreista käytetään myös nimitystä relaksaatio-oskillaattorit. Yhteistä kaikille oskillaattorityypeille on, että värähtelyehto on voimassa, eli nollasta poikkeavalla värähtelytaajuudella kytkentä on positiivisesti takaisinkytketty ja tällä samalla taajuudella kytkennän vahvistuskerroin on yksi tai suurempi.

Mikäli tarvitaan sellaista signaalia, jota oskillaattori ei voi suoraan tuottaa, sen lähtöön voidaan kytkeä esimerkiksi vahvistin, vaimennin, integraattori, derivaattori, kompressori, komparaattori tai useita yhdessä halutunlaisen aaltomuodon ja amplitudin tuottamiseksi.

LC-oskillaattorit

Perinteisessä, radiolaitteissa käytettävässä värähtelypiirissä energian edestakainen siirtyminen kelan magneetti­kentän ja kondensaattorin sähkö­kentän välillä aiheuttaa värähtelyn. Tämän sinimuotoisen värähtelyn taajuus riippuu kelan induktanssista L ja kondensaattorin kapasitanssista C. Koska värähtelypiiristä poistuu energiaa lämpöhäviöinä sekä sähkö­magneettisina aaltoina, oskillaattori tarvitsee ulkoisen energianlähteen, joka syöttää piiriin lisää energiaa värähtelyn tahdissa. LC-oskillaattorin kulmataajuus $\omega _{0}$ on sama kuin LC-piirin resonantti kulmataajuus.

$\omega _{0}={1 \over {\sqrt {LC}}}$

Vastaavasti resonanssitaajuus f saadaan seuraavasti:

$f={1 \over 2\pi {\sqrt {LC}}}$

LC-piiriin perustuvia oskillaattoreja ovat esimerkiksi Clapp, Colpitts ja Hartley-oskillaattorit.

Vaiheensiirto-oskillaattori

Vaiheensiirto-oskillaattorissa positiivinen takaisinkytkentä tuotetaan lähdöstä vahvistimen negatiiviseen tuloon kytketyillä kolmella RC-ylipäästösuotimella, joista kukin siirtää vaihetta 60°. Vahvistimen invertoiva tulo aiheuttaa lisäksi 180° vaihesiirron, joten kokonaisuudessaan tulon ja lähdön välinen vaihe-ero on 0° (eli 360°), mikä vastaa positiivista takaisinkytkentää.

Vaihesiirto-oskillaattori voidaan toteuttaa hieman monimutkaisemmin myös neljällä ylipäästösuotimella, jolloin oskillaattorin vaihekohina ja taajuusstabiilius parantuvat.

RC-aikavakio-oskillaattorit

Oskillaattori voidaan rakentaa myös takaisinkytkemällä komparaattori RC-aikavakion kautta. Kun kondensaattori latautuu vastuksen kautta tiettyyn jännitteeseen, komparaattori vaihtaa tilaansa ja kondensaattori alkaa purkautua. Kun kondensaattorin jännite alittaa komparaattorin vertailuarvon, lähtö vaihtaa jälleen tilaansa. Kytkennästä saadaan ulos kanttiaaltoa tai kondensaattorin lataus- ja purkauskäyrän mukaista säröytynyttä kolmioaaltoa, joten kytkentä kuuluu epälineaarisiin oskillaattoreihin.

UJT-oskillaattori lukeutuu myös epälineaarisiin oskillaattoreihin. Siinä RC-aikavakion määräämällä nopeudella kasvava kondensaattorin jännite liipaisee tiettyyn arvoon noustuaan unistorin eli UJT-transistorin johtavaksi, jolloin kondensaattorin varaus purkautuu, transistori lakkaa johtamasta ja varautuminen alkaa uudelleen. ^selvennä UJT-oskillaattorin toisesta lähdöstä saadaan negatiivinen ja toisesta positiivinen jännitepulssi tietyn ajan välein. Tällä pulssilla voidaan ohjata esimerkiksi tyristoria.

Kideoskillaattorit

Digitaalielektroniikassa käytetään usein kideoskillaattoreita, joiden taajuus pysyy oikeana tyypillisesti muutaman miljoonasosan tarkkuudella. Kideoskillaattorin keskeinen komponentti on pietsosähköinen kide, joka on yleensä kvartsia. Kytkennässä kide värähtelee mekaanisesti jollain ominaisvärähtelytaajuudellaan ja toimii resonanssipiirin tavoin. Suuren induktanssin ja pienen sisäisen resistanssin vuoksi kideoskillaattorin hyvyysluku on suuri ja siten toimintataajuus erittäin vakaa. Vakautta voidaan edelleen parantaa pitämällä kiteen lämpötilaa vakiona.

Katso myös

• Värähtelypiiri
• Harmoninen värähtelijä
• Kvanttimekaaninen harmoninen värähtelijä
• Syntetisaattori

Lähteet

• Infopress: Oskillaattorit ja vahvistimet. s. 1–256. (Elektroniikan perusteet IV) Helsinki: Infopress, 1978. ISBN 951-737-055-5