اسیلاتور

اين فركانس دقيق از فركانس كلاك در ميكروپروسسورها تا تلفن هاي سلولي استفاده دارند و هر كدام از اين كاربردها احتياج به توپولوژي خود را دارد. در يكي احتياج به توان بسيار پايين نياز نيست ولي در عوض فركانس دقيق مورد نياز است و در ديگري برعكس. بنابراين يك مبادله در هر كاربرد وجود دارد.

نوسان سازي كه بتواند در گسترة بيشتر فركانس هاي مخابراتي خاصيت خطي داشته باشد، امروزه مورد نياز است. بنابراين خطي بودن يك خاصيت مهم براي نوسان سازها است. براي اين كار بايد به خصوصيات وركتوري كه در نوسان ساز استفاده مي شود توجه كافي بشود. امروزه بايد به فكر گستره هاي فركانسي بالاتري بود، زيرا با پيشرفت صنعت فركانس مورد استفاده در وسايل الكترونيكي و مخابراتي بيشتر مي شود.

در بخش يك سعي شده تا نوسان سازها بررسي شود و تعاريف و شرايطي كه يك مدار بايد داشته باشد تا نوسان كند ارائه شده است. در بخش دوم به طور خاص به بررسي نوسان سازهاي LC اختصاص داده شده است و انواع اين نوسان سازها به طور مختصر بررسي شده است. در بخش سوم به بررسي VCO ها كه موضوع اصلي اين تحقيق است پرداخته شده است و به طور اجمالي ويژگي هاي رياضي آنها و شرايطي كه باعث مي شوند آنها پركاربرد باشند را شرح داده است. در بخش چهارم در مورد وكتور با مقاومت متغير بحث مي كند و مداراتي كه به آنها ويژگي نزديك به ايده آل مي دهد و در بخش پنجم به وسيلة چند روش ذكر شده در بخش هاي قبلي به بررسي يك نوسان ساز در گسترة وسيع مي پردازيم. قابل توجه است كه بخش پنجم انشاء ا... در گزارش بعدي كامل خواهد شد و هدف اصلي در بخش پنجم تحقق پيدا خواهد كرد.

بخش 1: تعاريف و مثال هاي نوسان سازها:

ابتدا برخي از مثال ها و تعاريف اوليه و ويژگي هاي اسيلاتورها را زير بيان كرده و سپس به بررسي چند مدار واقعي اسيلاتورها و VCO ها مي پردازيم.

وظيفة يك اسيلاتور (يا نوسان ساز) ايجاد يك خروجي متناوب است. بلوك دياگرام يك اسيلاتور را در حالت كلي مي توان به صورت زير نشان داد:

در واقع اسيلاتور يك مدار فيدبك دار است (كه اين مدار معمولاً از تعدادي از ترانزيستورها ساخته شده است) كه در يك فركانس خاص نوسان مي كند كه البته اين فركانس معمولاً قابل تغيير است و در يك محدوده اي قرار دارد (در مبحث VCO ها به اين مطلب بيشتر اشاره مي شود). معمولاً ساختار اسيلاتور اين گونه است كه بدون آنكه ورودي به آن اعمال شود، يك خروجي تناوبي ايجاد مي كند، به همين دليل نياز است كه بهرة حلقه بستة شكل بالا در فركانس نوسان (مثلاً  ) به سمت بي نهايت رود به عبارت ديگر بايد داشته باشيم:

در اين شرايط اعمال يك نويز با دامنه بسيار كوچك هم كافي است كه به خروجي مورد نظر دست يابيم. در حقيقت براي آنكه نوسان شروع شود بايد بهره حلقه بزرگتر يا مساوي 1 باشد (زيرا در اين صورت خروجي مرتب تقويت مي شود و براي خروجي يك سري هندسي واگرا به دست مي آيد) و نيز بايد مجموع انتقال فاز برابر  درجه (يا همان صفر درجه) باشد. اين شروط كه «شرط باركها وزن» ناميده مي شوند به صورت زير قابل بيان است:

شرط 2:            و شرط 1  

كه در صورت داشتن دو شرط بالا مدار در فركانس  نوسان خواهد كرد. بايد توجه كرد كه شرط 2 را با فرض وجود فيدبك منفي نوشتيم و اگر فيدبك مثبت باشد. اين شرط به صورت  يا  در مي آيد (زيرا قرار است كه كل انتقال فاز 360 درجه شود.)

حال به عنوان اولين قدم به دنبال تحقق مدار توصيف شده با شرايط بالا مي رويم، ساده ترين توپولوژي كه به نظر مي رسد، يك ترانزيستور سروس مشترك فيدبك دار است. بايد ببينيم كه آيا شروط باركها وزن در آن صدق مي كند يا نه. اگر در نظر بگيريم كه  باشد، در شرط 1 صدق خواهد كرد زيرا  . ولي اين مدار ؟ نمي تواند در شرط2 صدق كند. زيرا در مدار يك طبقه فقط يك قطب داريم كه حداكثر مي تواند اختلاف فاز 90 درجه ايجاد كند و با در نظر گرفتن وارونگي سيگنال از گيت به درين، حداكثر انتقال فاز كل به 270 درجه مي رسد. در نتيجه اين مدار نوسان نمي كند.

حال كه نتوانستيم با مدار يك طبقه سورس مشترك، يك نوسان ساز بسازيم، منطقاً بايد به سراغ مداران چند طبقه برويم. ابتدا يك مدار دو طبقه را در نظر مي گيريم (شكل 2).

در مدار شكل 2 چون دوبار وارونگي سيگنال رخ مي دهد، در نزديك فركانس صفر داراي بند يك مثبت خواهد بود و مدار قفل خواهد كرد زيرا  زياد بشود،  كم خواهد شد و در نتيجه ولتاژ گيت  كم مي شود و  خاموش مي شود و در نتيجه  باز هم افزايش مي‌يابد تا جائي كه  به  مي رسد و  به صفر مي رسد و در اين حالت مدار در اين حالت مي ماند.

ممكن است تصور شود كه اگر شكل قفل شدن در شكل 2 حل شود، مدار نوسان خواهد كرد. براي اينكه ببينيم اين تصور درست است يا نه اين ؟؟ قفل شدن را با گذاشتن يك طبقة وارونگر ايده آل بين  و  ، برطرف مي كنيم، ولي باز هم مدار نوسان نخواهد كرد، زيرا براي نوسان كردن مدار بايد اختلاف فاز وابسته به فركانس به 180 درجه برسد يعني اينكه هر كدام از قطب ها بايد 90 درجه اختلاف فاز ايجاد كند كه اين اتفاق در فركانس هاي بالا رخ مي دهد ولي براي حلقه در فركانس هاي خيلي بالا افت خواهد كرد و شرط  برآورده نمي شود.

حال كه در رسيدن به مدار يك نوسان ساز دو طبقه ناكام مانديم به سراغ مدارهاي سه طبقه مي رويم. با فرض يكسان بودن قطب هاي بر يك از سه طبقه، اختلاف فاز وابسته به فركانس در فركانس بي نهايت به  درجه مي رسد در اين صورت اگر اختلاف فاز وابسته به فركانس را  برابر درجه قرار دهيم (كه در نتيجه با سه بار وارون شدن سيگنال اختلاف فاز كل صفر درجه خواهد بود) ممكن است بتوان به  رسيدم. در نتيجه مدار سه طبقه ممكن است بتواند نوسان كند.