نوسان ساز هارتلی

اسیلاتور‌ هارتلی

یکی از معضلات استفاده از اشکال پایه اسیلاتور LC این است که دارای قابلیت کنترل دامنه نوسان‌ها نیستند. همچنین، تنظیم نوسان‌ها روی فرکانسی مشخص بسیار سخت خواهد بود.

همچنین اگر کوپل الکترومغناطیسی بین L و L2 خیلی کوچک باشد، فیدبک کافی و مناسب تامین نمی‌شود و نوسان‌ها در نهایت نابود می‌شوند. در ضمن، در حالتی که فیدبک‌ها فوق‌العاده قوی باشند، نوسان مدام افزایش خواهد داشت تا جایی که در موج اعوجاج به وجود می‌آید. بنابراین تنظیم اسیلاتور کار دشواری خواهد بود.

با وجود این شرایط، می‌توان دقیقا میزان ولتاژ دلخواه را فیدبک گرفت تا دامنه همواره ثابت بماند. به عنوان مثال، اگر ولتاژ فیدبک بالاتر از میزان دلخواه باشد، می‌توانیم آن را توسط یک تقویت‌کننده بایاس کنترل کنیم تا اگر دامنه نوسان‌ها افزایش یافت، بایاس نیز افزایش بیابد تا بهره تقویت‌کننده کاهش پیدا کند.

اگر دامنه نوسان‌ها کاهش پیدا کند، بایاس نیز کاهش پیدا می‌کند و بهره‌ مدار نیز افزایش خواهد داشت که در نوسان ساز هارتلی نتیجه میزان فیدبک نیز افزایش می‌یابد. در این شرایط، دامنه نوسان‌ها با استفاده از فرایندی به نام بایاس بیس اتوماتیک ثابت نگه داشته می‌شود.

یکی از بزرگ ترین مزایای بایاس بیس اتوماتیک در یک اسیلاتور که با ولتاژ کنترل می‌شود، این است که کارایی اسیلاتور توسط یک بایاس کلاس B یا C بالا خواهد رفت. در این شرایط جریان کلکتور تنها در بخشی از سیکل نوسان عبور خواهد کرد. بنابراین، میانگین جریان کلکتور فوق‌العاده کم است که شرایط بالا اساس کار اسیلاتور‌ هارتلی را تشکیل می‌دهد.

در اسیلاتور‌ هارتلی مدار LC بین کلکتور و بیس تقویت‌کننده ترانزیستوری متصل شده و بخش فیدبک شبکه LC از مرکز سیم‌پیچ القایی یا مرکز دو سیم‌پیچ جداگانه که به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌‌اند گرفته می‌شود. این دو سیم‌پیچ با خازن متغیر سری می‌باشد.

مدار‌ هارتلی به عنوان اسیلاتور جداگر القایی نیز شناخته می‌شود چرا که از مرکز سیم‌پیچ‌ها فیدبک گرفته می‌شود و در عمل می‌توان از یک سیم‌پیچ نوسان ساز هارتلی استفاده کرد که رفتاری همانند دو سیم‌پیچ که فوق‌العاده به یکدیگر نزدیک هستند، دارد و جریانی که از بخش XY عبور می‌کند، یک سیگنال را در بخش YZ سیم‌پیچ دیگری القا می‌کند.

یک اسیلاتور‌ هارتلی می‌تواند از هر پیکربندی که از یک سیم‌پیچ ( همانند یک اتوترانسفورماتور) یا یک جفت سیم‌پیچ که به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌‌اند و با یک خازن موازی هستند بهره ببرد. به شکل زیر نگاه کنید.

نوسان ساز هارتلی

نتایج جستجو برای: نوسان ساز هارتلی

تعداد نتایج: 19138 فیلتر نتایج به سال:

تحلیل و بررسی نویز فاز در نوسان ساز هارتلی

پایان نامه :وزارت علوم، تحقیقات و فناوری - دانشگاه صنعتی (نوشیروانی) بابل - دانشکده برق و کامپیوتر 1389

این رساله با بررسی تحلیلی ساختار نوسان ساز هارتلی ، استخراج و محا سبه معادلات مربوط به آن در حالت خطی و در حالت کلی و تحلیل این روابط به روش های مختلف، سعی بر ارائه رابطه ای تحلیلی برای نویز فاز در مدار نوسان ساز هارتلی دارد. جهت برآورده شدن این هدف به پیاده سازی روش های مختلف برای تحلیل دامنه نوسان در این نوسان ساز پرداخته و از روی این روابط تحلیلی و عددی اعمال شده، روابطی تحلیلی برای نویز فاز.

کاهش نویزفاز در نوسان ساز باندc

رشد سریع در زمینه ارتباطات بی سیم، طراحان مدارهای آنالوگ را ملزم به طراحی و ساخت مدارهایی کرده است که بتوانند نیازهای استانداردهای جدید را برآورده سازند. طراحی دقیق نوسان سازها به عنوان یکی از مهمترین اجزای سازنده این مدارات نیز بسیار مورد توجه قرار گرفته است. یکی از مهمترین چالش های طراحی بلوک نوسانساز دستیابی به نویز فاز پایین در آن است. در این پایان نامه ساختار نوسان سازی ارائه شده که بدون .

طراحی نوسان ساز کم مصرف با کنترل دیجیتال

در این پژوهش دو نوسان ساز کنترل شده با سیگنال دیجیتالی بر مبنای دو تکنیک مختلف طراحی این نوسان سازها یکی بر مبنای تغییر قدرت جریان دهی mos و دیگری بر مبنای تغییر خازن بار طراحی شد. نوسان ساز مبتنی بر تغییر قدرت جریان دهی با استفاده از معکوس کننده های مبتنی بر اشمیت تریگر و آرایه ترانزیستورهای موازی جهت بهبود توان مصرفی تحقق یافت. همچنین مداری برای بهبود خطسانی آن در کدهای دیجیتال ورودی بالا ارا.

تحلیل و طراحی نوسان ساز تربیعی با نویزفاز کم

امروزه مشکل تولید سیگنال های تربیعی، به واسطه ی نقش کلیدی آن ها در گیرنده های تبدیل مستقیم، نظر بسیاری از طراحان مدار را به خود جلب نموده است. کارآمدترین روش برای تولید سیگنال های تربیعی، استفاده از نوسان ساز تربیعی کنترل شونده با ولتاژ (qvco) است. به دلیل شرایط نوسان ساز هارتلی سختی که در استانداردهای مخابراتی برای حداکثر نویزفاز قابل قبول وجود دارد، چالش بزرگ در طراحی این بلوک، طراحی با نویزفاز بسیار کم و دقت.

طراحی نوسان ساز cross-coupled lc با نویز فاز کم

پایان نامه :وزارت علوم، تحقیقات و فناوری - دانشگاه صنعتی (نوشیروانی) بابل - دانشکده مهندسی برق و الکترونیک 1391

نوسان سازها از جمله مهمترین اجزای تشکیل دهنده ی سیستم های مخابراتی می باشد. از آنجایی که نویز فاز یکی از پارامترهای مهم تعیین کننده ی کیفیت یک نوسان ساز می باشد، طراحی نوسان سازهایی با نویز فاز کمتر از اهداف مهم طراحان است. در میان اسیلاتورهای مختلف، نوسان سازهای cross-coupled lc بدلیل عملکرد نویز فاز بهتر، مصرف توان کمتر، ساختار تفاضلی و پیاده سازی آسان آن نسبت به سایر نوسان سازها نقش مهمی را .

بهینه سازی اصطکاکیِ دستگاه شبیه ساز ارتعاشی آنالیز مودالِ تحت نوسان های آزاد و اجباری با استفاده از الگوریتم ژنتیک

دستگاه "شبیه‌ساز ارتعاشی آنالیز مودال" به کمک یک دستگاه ارتعاش‌دهنده، فرکانس‌ها و شکل مودهای طبیعی یک یا چند قطعه ارتعاشی تحت نوسان‌های آزاد و اجباری را اندازه‌گیری و مشاهده‌پذیر می‌سازد. در این مقاله، طراحی جدیدی به منظور کاهش خطاهای اندازه‌گیری و حفظ حرکت خطی مجموعه، با در نظر گرفتن لایه یکنواخت‌تر هوا و کاهش بهینه اصطکاک توسط بالشتک هوا انجام گرفته است. در این طراحی، بهینه‌سازی اصطکاکی دستگا.

بررسی نرخ رشد یک لیزر الکترون آزاد با نوسان ساز لیزری و پس زمینه پلاسما

در این مقاله نرخ رشد یک لیزر الکترون آزاد با نوسان ساز لیزری که در آن از پلاسمای پس زمینه برای ایجاد طول موج های کوتاه، در محدوده پرتو ایکس استفاده شده، به طور نظری مورد بررسی قرار گرفته است. موج لیزر با قطبش خطی، به واسطه داشتن طول گام های کوتاه نوسان سازی (در محدوده میکرو متری) قادر خواهد بود که تابش هایی همدوس در محدوده پرتو ایکس را تولید کند و به عنوان یک نوسان ساز تخت در لیزر الکترون آزاد .

نوسان ساز حلقوی جدید کنترل شده با ولتاژ با استفاده از اثر میلر

محمدعظیم کرمی, دانشگاه علم و صنعت ایران - دانشکده مه. دانشگاه علم و صنعت ایران - دانشکده مه. دانشگاه علم و صنعت ایران - دانشکده مه.

در این مقاله، یک نوسان ساز حلقوی جدید کنترل شده با ولتاژ ارائه شده است. تغییر خازن سلول تأخیر پایه نوسان ساز، با به کارگیری اثر میلر انجام شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد به کارگیری این اثر، سبب افزایش خطینگی و کاهش نویز فاز می شود. این نوسان ساز در فن آوری 0.18 میکرون سی ماس طراحی و طرح بندی آن شبیه سازی شده است. این نوسان ساز برای کاربرد در دو حالت دست یابی به کمترین نویز و دیگر برای دست.

نوسان ساز کولپیتس

طراحی نوسان‌ساز کولپیتس از دو خازن اتصال مرکزی به صورت سری با یک سلف موازی برای تشکیل مدار مخزن تشدید خود استفاده می‌کند که نوسان‌های سینوسی را تولید می‌کند.

اسیلاتور کولپیتس

در بیشتر مسیرها، کولپیتس برعکس کامل نوسان ساز هارتلی است که در آموزش قبلی بر آن پرداختیم. دقیقا مشابه با نوسان‌ساز هارتلی، مدار مخزن تنظیم شده شامل یک زیر مدار تشدید LC متصل بین کلکتور و بیس یک تقویت‌کننده ترانزیستور تک حالت است که یک شکل موج خروجی سینوسی تولید می‌کند.

پیکربندی پایه نوسان‌ساز کولپیتس همان نوسان‌ساز هارتلی را شبیه‌سازی می‌کند اما این بار تفاوت این است که اتصال مرکزی زیر مدار مخرن اکنون در پیوند یک شبکه “تقسیم‌کننده ولتاژ خازنی” به جای یک سلف از نوع ترانسفورماتور خودکار تنظیم شده همانند نوسان‌ساز هارتلی ساخته شده است.

نوسان ساز کولپیتس یک شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ خازنی را به عنوان منبع فیدبک خود استفاده می‌کند. دو خازن C1 ,C2 در دو سر یک سلف مشترک واحد L همانطور که نشان داده شده قرار گرفته‌اند. سپس C1 ,C2 و L از مدار مخزن تنظیم شده با موقعیت نوسانات به صورت: Xc1+Xc2=XL است که برابر با همان مدار نوسان‌ساز هارتلی است.

مزیت این نوع پیکربندی مدار خازنی این است که با خود القایی و القا متقابل کم درون مدار تانک، پایداری فرکانسی نوسان‌ساز در طول یک طراحی ساده‌تر بهبود یافته است.

همانند نوسان‌ساز هارتلی، نوسان ساز کولپیتس از یک تقویت‌کننده ترانزیستوری دو قطبی تک حالته به عنوان عنصر بهره استفاده می‌کند که یک خروجی سینوسی تولید می‌کند. مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار نوسان ساز کولپیتس پایه

پایانه امیتر ترانزیستور به صورت موثر به پیوند دو خازن C1 و C2 که به صورت سری به یکدیگر وصل هستند متصل شده است و به صورت یک تقسیم‌کننده ولتاژ ساده عمل می‌کند. وقتی که تغذیه توان در ابتدا اعمال شد، خازن‌های C1 و C2 شارژ می‌شوند و سپس از طریق سلف L تخلیه می‌شوند. نوسانات دو سر خازن‌ها به پیوند بیس – امیتر اعمال شده است و در خروجی کلکتور به صورت تقویت شده ظاهر می‌شود.

مقاومت‌های R1 و R2بایاس DC پایدار رایج را برای ترانزیستور در حالت نرمال مهیا می‌کنند درحالیکه خازن‌های اضافی به عنوان یک خازن کنارگذر مسدود شونده DC عمل می‌کند. یک چوک رادیو فرکانسی (RFC) در مدار کلکتور برای مهیا کردن یک راکتانس بالا (به صورت ایده‌آل مدار باز) در فرکانس نوسان (fr) و یک مقاومت پایین در DC برای کمک به شروع نوسان استفاده شده است.

شیفت فاز بیرونی مورد نیاز با همان روش استفاده شده در مدار نوسان‌ساز هارتلی با فیدبک مثبت مورد نیاز به دست آمده برای نوسانات تحمل نشده پایدار به دست می‌آید. مقدار فیدبک توسط نسبت C1 و C2 تعیین شده است. این دو خازن به صورت کلی با یکدیگر برای مهیا کردن یک مقدار ثابت فیدبک “جمع شده” اند بنابراین هنگامی که یکی تنظیم شد دیگری به صورت خودکار پیروی می‌کند.

فرکانس نوسانات برای یک نوسان ساز کولپیتس توسط فرکانس تشدید مدار مخزن LC تعیین شده است و به صورت زیر است:

به طوریکه C_T ظرفیت خازنی خازن‌های C1 و C2 متصل به صورت سری است و به صورت زیر است:

پیکربندی تقویت‌کننده ترانزیستوری یک تقویت‌کننده امیتر مشترک 180 درجه غیر هم فاز سیگنال خروجی با سیگنال ورودی است. شیفت فاز 180 درجه اضافی مورد نیاز برای نوسان توسط این حقیقت که دو خازن به یکدیگر به صورت سری متصل هستند اما موازی با سیم‌پیچ القایی هستند به دست می‌آید و منجر به شیفت فاز کلی صفر یا 360 درجه می‌شود.

مقدار فیدبک بر مقادیر C1 و C2 وابسته است. می‌توان دید که ولتاژ دو سر C1 برابر با ولتاژ خروجی نوسانات Vout است و ولتاژ دو سر C2 ولتاژ فیدبک نوسانات است. سپس ولتاژ دو سر C1 بسیار بزرگتر از ولتاژ دو سر C2 خواهد شد.

درنتیجه، باتغییر مقادیر خازن‌های C1 و C2 می‌توان مقدار ولتاژ فیدبک برگشتی به مدار مخزن را تنظیم کرد. اگرچه، مقادیر بزرگ فیدبک ممکن است باعث شود تا موج سینوسی خروجی منحرف شود در حالیکه مقادیر کوچک فیدبک ممکن است به مدار اجازه نوسان را ندهد.

سپس مقدار فیدبک توسعه یافته توسط نوسان ساز کولپیتس بر اساس نسبت ظرفیت خازنی C1 و C2 است و چیزی است که تحریک نوسان‌ساز را کنترل می‌کند. این نسبت “کسر فیدبک” نامیده می‌شود و به سادگی به صورت زیر است:

مثال شماره 1 نوسان ساز کولپیتس

یک مدار نوسان ساز کولپیتس دارای دو خازن 24nF و 240nfاست که به صورت موازی با سلف 10mH با یکدیگر وصل شده‌اند. فرکانس نوسانات مدار، کسر فیدبک را تعیین کنید و مدار را ترسیم کنید.

فرکانس نوسان برای یک نوسان ساز کولپیتس به صورت زیر است:

از آنجا که مدار کولپیتس شامل دو خازن سری است، درنتیجه ظرفیت خازنی کلی به صورت زیر است:

ظرفیت القایی سلف به صورت 10mh است، سپس فرکانس نوسانات به صورت:

درنتیجه فرکانس نوسانات برای نوسان ساز کولپیتس 10.8kHz با کسر فیدبک به صورت زیر است:

مدار نوسان ساز کولپیتس

نوسان ساز کولپیتس با تقویت کننده عملیاتی

دقیقا مانند نوسان‌ساز هارتلی قبلی، همانند استفاده از یک ترانزیستور پیوندی دو قطبی (BJT) به عنوان حالت فعال نوسان‌ساز، می‌توان یک تقویت‌کننده عملیاتی (op-amp) ساخت. عملکرد یک نوسان ساز کولپیتس تقویت‌کننده عملیاتی دقیقا برابر با برای ورژن ترانزیستوری با فرکانس عملیاتی محاسبه شده در همان روش است. مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار تقویت کننده عملیاتی نوسان ساز کولپیتس

توجه داشته باشید که به عنوان یک پیکربندی تقویت‌کننده معکوس، نسبت R2/R1 بهره تقویت‌کننده را تنظیم می‌کند. بهره حداقل 2.9 برای آغاز نوسانات لازم است. مقاومت R3 فیدبک مورد نیاز را برای مدار مخزن LC مهیا می‌کند.

مزیت‌های نوسان ساز کولپیتس بر نوسان‌سازهای هارتلی این است که نوسان ساز کولپیتس شکل موج سینوسی خالص‌تری را به دلیل مسیرهای امپدانس پایین خازن‌ها در فرکانس‌های بالا مهیا می‌کند.

همچنین به دلیل ویژگی‌های راکتانس خازنی بر اساس FET، نوسان ساز کولپیتس می‌تواند در فرکانس‌های بسیار بالا عمل کند. همچنین هر تقویت‌کننده عملیاتی یا FET استفاده شده به عنوان قطعه تقویتی باید قادر به عمل کردن در فرکانس‌های بالا مورد نیاز باشد.

خلاصه نوسان‌ساز کولپیتس

نوسان ساز کولپیتس شامل مدار مخزن تشدید LC موازی است که فیدبک آن توسط مسیر تقسیم‌کننده خازنی به دست آمده است. همانند اکثر مدارهای نوسان‌ساز، نوسان ساز کولپیتس در شکل‌های گوناگونی وجود دارد، با رایج‌ترین شکل که شبیه به مدار ترانزیستور بالا است.

اتصال مرکزی زیر مدار مخزن در پیوند یک شبکه “تقسیم‌کننده ولتاژ خازنی” برای تغذیه یک کسری از سیگنال خروجی به عقب به امیتر ترانزیستور ساخته شده است. دو خازن سری یک شیفت فاز 180 درجه که توسط 180 درجه دیگر معکوس شده است برای تولید فیدبک مثبت مورد نیاز تولید می‌کند. فرکانس نوسانی یک ولتاژ موج سینوسی شفاف توسط فرکانس تشدید مدار مخزن تعیین شده است.

اسیلاتور هارتلی — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس، درباره اسیلاتور LC بحث کردیم. در این آموزش قصد داریم راجع به اسیلاتور هارتلی صحبت کنیم.

محتوای این مطلب جهت یادگیری بهتر و سریع‌تر آن، در انتهای متن به صورت ویدیویی نیز ارائه شده است.

«اسیلاتور هارتلی» (The Hartley Oscillator) با استفاده از دو سلف سری که موازی با یک خازن هستند، طراحی می‌شود. به این ترتیب، یک مدار تانک تشدیدی در اسیلاتور هارتلی ایجاد می‌شود که تولید شکل موج سینوسی می‌کند.

اساس کار اسیلاتور هارتلی

یکی از معایب اصلی اسیلاتورهای LC که در بخش قبلی آن را مطرح کردیم، این است که هیچ کنترلی روی دامنه نوسان‌ها وجود ندارد. به این ترتیب، تنظیم اسیلاتور برای کار در فرکانس مطلوب بسیار مشکل است.

شکل زیر، مدار تانک یک اسیلاتور هارتلی را نشان می‌دهد:

اگر تزویج الکترومغناطیسی بین سلف‌های $$L_1$$ و $$L_2$$ بسیار کوچک باشد، فیدبک ایجاد شده بسیار ناچیز خواهد بود و نوسان‌ها پس از مدتی میرا می‌شوند.

به همین ترتیب، اگر فیدبک بسیار بزرگ باشد، دامنه نوسان‌ها افزایش می‌یابد. این افزایش دامنه به دلیل شرایط مدار، محدود می‌شود. به این ترتیب، در سیگنال اعوجاج روی می‌دهد. بنابراین «نوسان ساز هارتلی تنظیم» (Tuning) اسیلاتور، کار بسیار پیچیده‌ای است.

هرچند، اگر مقدار دقیقی از ولتاژ به عنوان «منبع فیدبک» (Feedback Source) مورد استفاده قرار گیرد، می‌توان نوسان‌هایی با دامنه ثابت تولید کرد. اگر ولتاژ در فیدبک مدار بیش از مقدار کافی باشد، دامنه نوسان‌ها با بایاس کردن تقویت‌کننده قابل کنترل است. به این ترتیب،‌ همزمان با افزایش دامنه نوسان‌ها، بایاس نیز افزایش می‌یابد و بهره تقویت‌کننده کم می‌شود.

اگر دامنه نوسان‌ها کاهش یابد، ولتاژ بایاس نیز کاهش می‌یابد و بهره تقویت‌کننده زیاد می‌شود. به این ترتیب، فیدبک مدار افزایش می‌یابد. در این حالت، دامنه نوسان‌ها ثابت باقی می‌ماند. این فرآیند، «بایاس خودکار بیس» (Automatic Base Bias) نام دارد.

یکی از مزایای بایاس خودکار بیس، در «اسیلاتور کنترل‌شده با ولتاژ» (Voltage Controlled Oscillator) این است که می‌توان با استفاده از شرایط بایاس کلاس B یا بایاس کلاس C، بهره اسیلاتور را در ترانزیستور افزایش داد. مزیت این روش، آن است که کلکتور فقط در بخشی از چرخه نوسان، حامل جریان خواهد بود و در حالتی که کلکتور خاموش است، جریان بسیار کوچکی از آن عبور خواهد کرد.

یکی از مرسوم‌ترین انواع اسیلاتورهای LC با فیدبک تشدیدی موازی از این خاصیتِ «خود تنظیمی» (Self-Tuning)، استفاده می‌کند. این نوع اسیلاتورها، به نام «اسیلاتورهای هارتلی» (Hartley Oscillators) شناخته می‌شوند.

مدار ساده اسیلاتور هارتلی

در اسیلاتور هارتلی،‌ «مدار LC تنظیم‌شده» (Tuned LC Circuit) بین کلکتور و بیس تقویت‌کننده ترانزیستوری قرار می‌گیرد. از وسط سیم‌پیچ سلفی این مدار، یک انشعاب گرفته می‌شود و امیتر ترانزیستور به این نقطه متصل می‌شود. به این ترتیب اسیلاتور، ولتاژ نوسانی تولید می‌کند.

با گرفتن انشعاب از قسمت میانی سیم‌پیچ سلفی، فیدبک مدار تانک LC تنظیم‌شده حاصل می‌شود. به این ترتیب دو سلف سری با هم و موازی با یک خازن (C)، «مدار تانک» (Tank Circuit) اسیلاتور هارتلی را تشکیل می‌دهند.

مدار اسیلاتور هارتلی را با نام «اسیلاتور با اندوکتانس دو نیم‌شده» (Split-Inductance Oscillator) نیز می‌شناسند. زیرا در این حالت، سیم‌پیچ $$L$$ از وسط دو نیم می‌شود. شکل زیر، یک مدار ساده اسیلاتور هارتلی را نشان می‌دهد:

شکل (۲) – مدار ساده اسیلاتور هارتلی

در حقیقت، اندوکتانس L در این حالت مانند دو سیم‌پیچ مجزا عمل خواهد کرد. با عبور جریان از قسمت XY سیم‌پیچ در مدار تانک، یک سیگنال در قسمت YZ سیم‌پیچ القا می‌شود. مدار تانک اسیلاتور هارتلی را می‌توان به روش‌های مختلفی ساخت. با گرفتن یک انشعاب از سیم‌پیچ، مدار تانک اسیلاتور هارتلی مانند یک اتو ترانسفورماتور عمل خواهد کرد. می‌توان این مدار را به صورت یک جفت سری سیم‌پیچ به موازات یک خازن نیز در نظر گرفت که این مسئله در شکل (۲) نشان داده شده است.

فرکانس نوسان اسیلاتور هارتلی

هنگامی که مدار نوسان می‌کند، اختلاف پتانسیل بین نقطه $$X$$ یا کلکتور ترانزیستور، نسبت به نقطه $$Y$$ یا امیتر ترانزیستور و اختلاف پتانسیل بین نقطه $$Z$$ یا بیس ترانزیستور، نسبت به نقطه $$Y$$، به اندازه ۱۸۰ درجه اختلاف فاز خواهد داشت.

در فرکانس نوسان، امپدانس بار کلکتور، مقاومتی خواهد بود و افزایش ولتاژ بیس باعث کاهش ولتاژ کلکتور خواهد شد. به این ترتیب، یک اختلاف فاز ۱۸۰ درجه دیگر نیز بین ولتاژ کلکتور و بیس به وجود می‌آید. این اختلاف فاز، به همراه اختلاف فاز ۱۸۰ درجه در حلقه فیدبک، باعث ایجاد اختلاف فاز کلی ۳۶۰ یا صفر درجه در نوسان ساز هارتلی مدار خواهد شد. به این ترتیب، یک فیدبک مثبت در مدار اسیلاتور هارتلی ایجاد می‌شود و نوسان‌ها پایدار باقی می‌مانند.

مقدار فیدبک به محل انشعاب‌گیری از سلف، بستگی دارد. اگر نقطه انشعاب به کلکتور ترانزیستور نزدیک‌تر باشد، مقدار فیدبک افزایش می‌یابد. اما ولتاژ خروجی که از کلکتور مدار گرفته می‌شود، کاهش می‌یابد. به همین ترتیب، اگر نقطه انشعاب از کلکتور دورتر باشد، مقدار فیدبک کم می‌شود و ولتاژ خروجی زیاد می‌شود.

در شکل (۲)، مقاومت‌های $$R_1$$ و $$R_2$$ باعث پایدار شدن بایاس DC ترانزیستور می‌شوند و خازن‌ها، عامل حذف سیگنال DC هستند.

در مدار اسیلاتور هارتلی، جریان DC در کلکتور فقط از یک قسمتِ سیم‌پیچ عبور می‌کند. به همین دلیل، به این اسیلاتور، «اسیلاتور تغذیه‌شده به صورت سری» (Series-Fed Oscillator) نیز گفته می‌شود. فرکانس نوسان اسیلاتور هارتلی نیز به صورت زیر داده می‌شود:

اگر سیم‌پیچ‌های $$L_1$$ و $$L_2$$‌ روی هسته‌های متفاوت پیچیده شوند، $$L_T$$ به صورت زیر محاسبه خواهد شد:

اما اگر سیم‌پیچ‌های $$L_1$$ و $$L_2$$ روی یک هسته پیچیده شوند، $$L_T$$ به صورت زیر محاسبه خواهد شد:

$$L_T = L_1 + L_2 + 2M$$

ذکر این نکته ضروری است که $$L_T$$، سلف معادل حاصل از دو سلف سری است و اندوکتانس متقابل این دو سلف ($$M$$) نیز در این محاسبه در نظر گرفته شده است.

فرکانس نوسان اسیلاتور هارتلی را می‌توان با تغییر خازن C تنظیم کرد که به آن «تنظیم به وسیله خازن» (Capacitive Tuning) گفته می‌شود. همچنین می‌توان محل «پودر آهن» (Iron-dust) را در سیم‌پیچ تغییر داد که به آن «تنظیم به وسیله سلف» (Inductive Tuning) گفته می‌شود. به این ترتیب می‌توان فرکانس نوسان را در محدوده وسیعی تنظیم کرد. همچنین، اسیلاتور هارتلی در خروجی خود دامنه‌ای ایجاد می‌کند که در کل بازه فرکانسی ثابت است.

اسیلاتور هارتلی تغذیه شده به صورت موازی

همانند آنچه درباره اسیلاتور هارتلی تغذیه شده به صورت سری توضیح دادیم، می‌توان مدار تانک تنظیم‌شده را به صورت موازی به تقویت‌کننده متصل کرد. شکل زیر، مدار «اسیلاتور هارتلی تغذیه شده به صورت موازی» (Shunt-Fed Hartley Oscillator Circuit)، را نشان می‌دهد:

شکل (۳) – اسیلاتور هارتلی تغذیه شده به صورت موازی

جریان کلکتور ترانزیستور،‌ مولفه‌های DC و AC متفاوتی دارد و هرکدام از این جریان‌ها، مسیرهای متفاوتی را در مدار طی می‌کنند. از آنجا که خازن $$C_2$$ همه سیگنال‌های DC را در مدار حذف می‌کند، هیچ جریان مستقیمی از سیم‌پیچ سلفی ($$L$$) عبور نمی‌کند. به این ترتیب، توان کمتری در مدار تنظیم‌شده تلف می‌شود.

در فرکانس نوسان، سیم‌پیچ فرکانس رادیویی (RFC) یا همان $$L_2$$ در چوک RF، راکتانس بسیار بزرگی خواهد داشت. بنابراین همچنان که جریان DC از $$L_2$$ عبور می‌کند و به منبع تغذیه برمی‌گردد،‌ بیشتر جریان فرکانس رادیویی،‌ به مدار تانک تنظیم LC از طریق خازن $$C_2$$‌ اعمال می‌شود. می‌توان به جای سیم‌پیچ $$L_2$$ از یک مقاومت نیز استفاده کرد، اما در این حالت، بهره مدار کاهش می‌یابد.

یک مدار اسیلاتور هارتلی شامل دو سلف با ظرفیت $$0.5$$ میلی‌هانری را در نظر بگیرید. این دو سلف به صورت سری با یکدیگر و به صورت موازی با یک خازن متغیر در مدار قرار می‌گیرند. ظرفیت خازن بین $$100$$ پیکوفاراد و $$500$$ پیکوفاراد متغیر است. حد بالا و پایینِ فرکانس نوسان و پهنای باندِ اسیلاتور هارتلی را بیابید.

حل: می‌دانیم که فرکانس نوسان اسیلاتور هارتلی به صورت زیر محاسبه می‌شود:

این مدار، از دو سلف موازی هم تشکیل شده است. بنابراین اندوکتانس معادل این سلف به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$L_T = L_1 + L_2 = 0.5 mH + 0.5 mH = 1.0 mH$$

بنابراین حد بالای فرکانس نوسان به صورت زیر خواهد بود:

به همین ترتیب، حد پایین فرکانس نوسان اسیلاتور هارتلی به صورت زیر محاسبه می‌شود:

پهنای باند اسیلاتور هارتلی نیز به صورت زیر است:

پهنای باند = $$f_H – f_L = 503-225= 278 KHz$$

مدار اسیلاتور هارتلی به همراه اپ – امپ

علاوه بر استفاده از ترانزیستور دو قطبی (BJT) در ناحیه فعال اسیلاتور هارتلی، نوسان ساز هارتلی می‌توان از یک تقویت‌کننده عملیاتی یا ترانزیستور اثر میدان نیز استفاده کرد. عملکرد اسیلاتور هارتلی با اپ – امپ همانند نوع ترانزیستوری آن است و فرکانس نوسان آن نیز با نوع ترانزیستوری آن برابر است. شکل زیر، یک اسیلاتور هارتلی تقویت‌شده با اپ – امپ را نشان می‌دهد:

شکل (۴) – مدار اسیلاتور هارتلی به همراه اپ – امپ

یکی از مزایای استفاده از اسیلاتور هارتلی با اپ – امپ، این است که بهره تقویت‌کننده عملیاتی را می‌توان با استفاده از مقاومت‌های $$R_1$$ و $$R_2$$ به راحتی تنظیم کرد. مانند اسیلاتور هارتلی با تقویت‌کننده ترانزیستوری،‌ بهره مدار برابر یا کمی بزرگتر از نسبت $$L1/L2$$‌ خواهد بود. اگر دو سیم‌پیچ سلفی، به دور یک هسته پیچیده شوند و تزویج متقابل وجود داشته باشد، بهره مدار به صورت زیر نوشته می‌شود:

جمع‌بندی

همانطور که بیان شد، اسیلاتور هارتلی شامل یک مدار تانک تشدیدی LC موازی است و فیدبک آن به وسیله تقسیم‌کننده سلفی ایجاد می‌شود.

مانند بیشتر مدارهای نوسان‌ساز، اسیلاتور هارتلی در انواع متفاوتی وجود دارد. مرسوم‌ترین نوع اسیلاتور هارتلی، از تقویت‌کننده ترانزیستوری استفاده می‌کند و در مدار شکل زیر نشان داده شده است:

انشعاب بین دو سلف مدار تانک، یک شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ سلفی ایجاد می‌کند. به این ترتیب، بخشی از سیگنال خروجی به امیتر ترانزیستور برمی‌گردد تا فیدبک مدار را تشکیل دهد. این اسیلاتور همواره سیگنال فیدبک مثبت دارد، زیرا ولتاژ در خروجی امیتر ترانزیستور با خروجی کلکتور همواره هم‌فاز است. نوسان‌ها در اسیلاتور هارتلی همواره شکل موج سینوسی دارند و فرکانس این نوسان‌ها با فرکانس تشدید مدار تانک برابر است.

اسیلاتورهای هارتلی معمولا بین فرکانس‌های 2۰ کیلوهرتز و 3۰ مگاهرتز مورد استفاده قرار می‌گیرند. هرچند این نوع اسیلاتور برای فرکانس‌های پایین مناسب نیست، زیرا منجر به استفاده از سلف‌های بزرگ می‌شود که حجم مدار را افزایش می‌دهد. همچنین خروجی اسیلاتور هارتلی، شامل تعدادی زیادی هارمونیک‌ است. بنابراین استفاده از این اسیلاتور برای کاربردهایی که به موج سینوسی خالص نیاز است، پیشنهاد نمی‌شود.نوسان ساز هارتلی

از اسیلاتور هارتلی، برای تولید موج سینوسی در فرکانس مطلوب استفاده می‌شود. همچنین، «اسیلاتورهای محلی» (Local Oscillators) در گیرنده‌های رادیویی و اسیلاتورهای RF نیز از نوع اسیلاتور هارتلی هستند.

در بخش بعدی از این سری آموزش در مجله فرادرس، به بررسی اسیلاتورهای کولپیتس خواهیم پرداخت. این اسیلاتورها دقیقا معکوس اسیلاتور هارتلی هستند. اسیلاتورهای کولپیتس، از دو خازن سری به موازات یک سلف در مدار تانک تشدیدی خود استفاده می‌کنند.

اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، پیشنهاد می‌کنیم به آموزش‌های زیر مراجعه کنید:

اسیلاتور هارتلی چیست؟ آموزش مدار نوسانگر هارتلی

در این آموزش به طور کامل با نوسانگر (نوسان ساز یا اسیلاتور) هارتلی Hartley به طور کامل و گام به گام آشنا میشویم.

اسیلاتور هارتلی

به زبان ساده ، نوسان ساز یک مداری است که قدرت DC را از منبع تغذیه به قدرت AC به Load (بار) تبدیل می کند. سیستم نوسان ساز با استفاده از هر دو مولفه ی فعال و غیر فعال ساخته نوسان ساز هارتلی می شود و از آن برای تولید شکل موج سینوسی یا هر شکل موج تکراری دیگری در خروجی بدون استفاده از سیگنال ورودی خارجی استفاده می شود. ما در مورد چند نوسان ساز در آموزش های قبلی به بحث پرداختیم.

هر نوع از فرستنده و گیرنده ی تلویزیون رادیویی یا هر گونه تجهیزات آزمایشگاهی دارای نوسان ساز است. آن یک جز اصلی برای ایجاد سیگنال ساعت است. یک برنامه ی نوسان ساز ساده می تواند داخل دستگاهی متداول مانند یک ساعت دیده شود. ساعت ها از یک نوسان ساز برای تولید سیگنال ساعت 1 هرتز استفاده می کنند.

نوسان سازها بسته به شکل موج خروجی تحت عنوان نوسان ساز سینوسی یا نوسان ساز آرامش طبقه بندی می شوند. اگر یک نوسان ساز با فرکانس مشخص در سراسر خروجی یک موج سینوسی تولید کند ، نوسان ساز سینوسی نامیده می شود. نوسان سازهای آرامش امواج غیر سینوسی مانند موج مربع یا موج مثلثی یا هر نوع موج مشابهی را در طول خروجی فراهم می کنند.

علاوه بر طبقه بندی های نوسان ساز بر اساس سیگنال خروجی ، نوسان سازها می توانند با استفاده از ساختار مدار مثل نوسان ساز مقاومت منفی ، نوسان ساز بازخورد و .. طبقه بندی کرد.

نوسان ساز هارتلی یکی از نوسان ساز بازخورد از نوع LC (خازن القایی) است که در سال 1915 توسط مهندس آمریکایی رالف هارتلی اختراع شد. در این آموزش ، ما در مورد ساختار و برنامه ی کاربردی نوسان ساز هارتلی به بحث می پردازیم.

مدار مخزن Tank

نوسان ساز هارتلی یک نوسان ساز LC است. یک نوسان ساز LC از یک مدار مخزن تشکیل شده است که یک بخش ضروری برای ایجاد نوسان مورد نیاز است. مدار مخزن از سه مولفه ، دو القاگر و یک خازن استفاده می کند. خازن به طور موازی با دو القاگر سری متصل می شود. نمودار مدار نوسان ساز هارتلی در زیر آورده شده :

چرا ترکیب خازن-القاگر تحت عنوان مدار مخزن نامیده می شود؟ زیرا مدار LC فرکانس نوسان را ذخیره می کند. در مدار مخزن ، خازن و دو القاگر سری به طور تکرار شونده توسط یکدیگر شارژ و تخلیه می شوند که آن یک نوسان ایجاد می کند. زمان بندی شارژ و تخلیه یا به عبارت دیگر ، مقدار خازن و القاگرها فاکتور تعیین کننده ی اصلی برای فرکانس نوسان است.

نوسان ساز هارتلی بر اساس ترانزیستور

در تصویر بالا یک مدار نوسان ساز هارتلی عملی نشان داده شده است که مولفه ی فعال ترانزیستور PNP است. در مدار ، ولتاژ خروجی سراسر مدار مخزنی که به کالکتور متصل شده است ظاهر می شود. با این حال ولتاژ بازخورد نیز بخشی از ولتاژ خروجی است که به عنوان V1 نشان داده می شود و در سراسر القاگر L1 ظاهر می شود.

بسامد به صورت مستقیم با نسبت خازن و مقادیر القاگر متناسب است.

نحوه کار مدار اسیلاتور هارتلی

مولفه ی فعال نوسان ساز هارتلی ترانزیستور است. نقطه ی عملیاتی DC در ناحیه ی فعال از مشخصات توسط مقاومت های R1, R2, RE و کالکتور ولتاژ تغذیه VCC اداره می شود. خازن CB خازن مسدود کننده است و CE خازن کنار گذر ایستر است.

ترانزیستور در پیکربندی امیتر متداول ، پیکربندی شده است. در این پیکربندی ، ولتاژ ورودی و خروجی ترانزیستور یک تغییر فاز 180 درجه ای دارد. در مدار ، ولتاژ خروجی V1 و ولتاژ بازخورد V2 تغییر فاز 180 درجه ای دارد. با شانه زنی این دو ، ما یک تغییر فاز 360 درجه ای بدست می آوریم که برای نوسان ضروری است ( از آن به عنوان ملاک Barkhausen یاد می شود ).

مورد ضروری دیگر برای شروع نوسان داخل مدار بندی بدون اعمال سیگنال خارجی ، ایجاد ولتاژ نویز داخل مدار است. هنگامی که برق روشن است ، ولتاژ نویز با طیف گسترده ای از نویز ساخته می شود و آن مؤلفه ولتاژ مورد نیاز در فرکانس، که برای نوسان ساز مورد نیاز است را دارد.

عملکرد AC مداربندی تحت تاثیر مقاومت R1 و R2 برای یک مقدار مقاومت زیاد ، نیست. این دو مقاومت برای بایاس کردن ترانزیستور استفاده می شوند. زمین و CE برای مصون سازی مدار کلی مورد استفاده قرار می گیرند و از این دو مقاومت و خازن به نوسان ساز هارتلی عنوان مقاومت و خازن امیتر استفاده می شود.

عملکرد AC تا حد زیادی تحت تاثیر فرکانس رزونانس مدار مخزن است. فرکانس نوسان می تواند با استفاده از فرمول زیر تعیین شود :

القایی کل مدار مخزن LT = L1 + L2 است.

اسیلاتور هارتلی بر اساس Op-Amp

در تصویر بالا ، نوسان ساز هارتلی بر اساس Op-Amp نشان داده شده است جایی که خازن C1 به طور موازی با L1 و L2 در سری متصل شده است.

op-amp در یک پیکربندی معکوس متصل است ، جایی که مقاومت R1 و R2 مقاومت بازخورد است. بهره ی آمپلی فایر می توانند توسط فرمول ذکر شده تعیین شود.

بازخورد و ولتاژ خروجی نیز همچنین در مدار نوسان ساز هارتلی بر اساس Op-Amp بالا نشان داده شده است.

فرکانس نوسان می تواند با استفاده از فرمولی مشابه که در بخش نوسان ساز بر اساس ترانزیستور استفاده می شود ، محاسبه شود.

مثال نوسان ساز هارتلی

یک نوسان ساز هارتلی با فرکانس متغیر KHz 60-120 متشکل از خازن قابل تنظیم ( تریمر ) ( 100 pF تا 400 pF ) را در نظر بگیرید. مدار مخزن دو القاگر دارد که مقدار یک القاگر 39uH است. بنابراین برای یافتن مقدار القاگر دیگر ، ما فرآیند زیر را دنبال می کنیم.

فرکانس نوسان ساز هارتلی است :

در این وضعیتی که تغییرات فرکانس نوسان ساز هارتلی بین 60 تا 120 kHz است ، نسبت 1:2 است. تغییر فرکانس را می توان با یک جفت سیم پیچ به دست آورد زیرا ظرفیت در نسبت 100pF متفاوت است : 400 pF که یک نسبت 1:4 است.

بنابراین هنگامی که فرکانس F برابر با 400 pF است :

بنابراین ظرفیت کل 17.6 mH است و مقدار القاگر دیگر می شود :

تفاوت نوسان ساز هارتلی و کولپیتس

نوسان ساز Colpitts بسیار شبیه به نوسان ساز هارتلی است اما یک تفاوت در ساختار ، میان این دو وجود دارد. با وجود اینکه هارتلی و Colpitts ، هر دو نوسان ساز دارای سه مولفه در مدار مخزن هستند ، اما نوسان ساز Colpitts از یک القاگر منفرد به طور موازی با دو خازن در سری استفاده میکند در حالیکه نوسان ساز هارتلی دقیقا به طور متضاد استفاده می کند ، یک خازن منفرد به طور موازی با دو القاگر در سری.

مزایا و معایب اسیلاتور هارتلی

مزایا

1. دامنه ی خروجی متناسب با محدوده ی فرکانس مغیر نیست و دامنه تقریبا به طور ثابت باقی می ماند.
2. فرکانس به آسانی در مدار مخزن با استفاده از یک تریمر به جای خازن ثابت قابل کنترل است.
3. به دلیل تولید فرکانس RF پایدار ، برای برنامه های RF بسیار مناسب است.

معایب

1. نوسان ساز هارتلی یک موج سینوسی معوج ایجاد می کند و برای عملیات مرتبط با موج سینوسی خالص مناسب نیست.
2. در فرکانس پایین مقدار القاگر بزرگ می شود.

مدار نوسان ساز هارتلی به طور عمده برای ایجاد موج سینوسی در دستگاه های متفاوت مانند فرستنده و گیرنده های رادیویی استفاده می شود.