실험07 - 발진회로, 이론

I. Theory

1.1 발진기 기초

- 발진기(oscillator)는 정현파(sine wave) 또는 구형파(rectangular wave)를 발생하는 장치이다.

- 발진기 용도: 통신용 신호원, 디지털회로의 클록생성, 함수발생기 신호원

- 발진기의 주파수별 분류

저주파 발진기(LFO; low-frequency oscillator): < 20Hz

오디오 발진기: 16Hz - 20kHz

RF 발진기: 100kHz - 100GHz

1.2 Feedback 발진기

1) Negative feedback

그림: Feedback circuit block diagram [Kurssit]

- 출력신호의 β배 한 후에 입력신호로부터 빼준다.

- 출력이 증가하면 입력신호가 감소하여 출력증가를 방지한다.

- Negative feedback: Aβ > 0

- 다음 식으로 주어지는 안정적인 출력이 발생

2) Positive feedback

그림: Positive feedback [Kurssit]

- 위 그림에서 궤환신호 을 입력에 더해 줄 경우

- 입력신호 x_i = 0인 경우에도 신호가 나오려면 다음 조건 만족 필요

: Barkhausen 조건 (불안정 조건, 발진기에 적용)

최초:

최종:

3) 발진기 예제

그림: 발진기 예제 [Kurssit]

1.3 Feedback 발진기 종류

1) LC-feedback oscillator

그림: 1MHz 콜피츠 발진기 [Pinterest]

2) Crystal 발진기

그림: 20MHz 수정발진기 [EEVlog]

3) Phase-shift 발진기

그림: 200Hz 위상천이 발진기 [Circuit Digest]

4) Wien-bridge 발진기

그림: 1.59kHz Wien-bridge 발진기 [Stack Exchange]

1.4 발진기 종류별 최대 발진 주파수

- Wien-bridge oscillator: most popular up to 1MHz

- Phase-shifte oscillator: up to 200-300kHz

- LC oscillator: up to millimeter-wave

- Cystral oscillator: up to 100MHz

2. Wien-bridge 발진기

1) 동작원리

그림: Wien-bridge 발진기

2) Wien-bridge 발진기 설계사례

ㅇ 기본형 Wien-bridge 발진기

그림: 기본형 Wieng-bridge 발진기와 출력파형 [Kurssit]

- 설계공식 적용

- 연산증폭기 이득: 2.21

- 발진주파수:

- 위 발진기는 출력이 포화될 때까지 증가하여 발진하게 되므로 왜곡된 정현파가 출력으로 나온다. 파형 클리핑 발생

ㅇ 무왜곡형 Wien-bridge 발진기

- Feeback path에 다이오드를 넣어서 발진기 출력을 줄여서 왜곡 방지

그림: 무왜곡형 Wieng-bridge 발진기와 출력파형 [Kurssit]

ㅇ 무왜곡 Wien-bridge 발진기 해석

- 시동: 1+R22/R1 = 3.2 → R22/R1 = 2.2

- 발진시: [(R22+Rd) || R22] / R1 = 2 → Rd = 1.98 R1

R1 = 1kΩ, R22 = 2.2kΩ, Rd = 1.98kΩ

- 다이오드 방정식으로부터

Rd = 1.98kΩ, Vd = 0.419V, Id = 21.25uA

- R22와 다이오드 직렬회로의 전압: R22 * Id + Vd = 0.4655V = (2 / 3)* Vout

Vout = 0.6983 V

다이오드는 0.6V에서 도통

Vd = 0.6V = V(R3) = Vout * R3 / (R3 + R2 + R1)

Vout = 3.6V

LM741 Wien oscillator

http://www.learningaboutelectronics.com/Articles/Wien-bridge-oscillator-circuit-with-an-LM741.php

200kHz oscillator: JFET op-amp, TL081, LF351