Chapter 16 발 진 기

16-1. 발 진 기 발진기 : 직류 전압으로 반복되는 출력파형 생성시키는 회로 16-1. 발 진 기 발진기 : 직류 전압으로 반복되는 출력파형 생성시키는 회로 귀환 발진기 : 출력신호의 일부분이 위상천이 없이 입력으로 피드백 되어 출력을 강화 이완 발진기 : RC 회로를 이용하여 사인파가 아닌 다른 파형을 생성시키는 발진기 Fig 16-1 Oscillator 발진기 개념도 귀환 발진기의 기본 요소

16-2. 귀환 발진기의 원리 정 귀 환 귀환 발진기의 기본원리 : 정귀환 정귀환 16-2. 귀환 발진기의 원리 정 귀 환 귀환 발진기의 기본원리 : 정귀환 정귀환 - 증폭기의 출력이 입력으로 위상천이나 출력 강화 없이 피드백 - 루프회로가 지속적으로 사인파 발생 : 발진 Fig 16-3 Pos. Feedback 발진을 위한 정귀환

발진 조건 1) 귀환 루프의 위상천이가 0° 2) 폐귀환 루프의 전압이득 Acl이 1 Acl = AvB 발진 조건 Fig 16-3 Pos. Feedback 발진 조건

시동 조건 - 발진이 유지되기 위해서는 이득이 1이지만 발진이 일어나기 위해서는 정귀환 루프 이득이 1보다 커야 출력전압이 원하는 레벨로 증가 - 발진이 시작된 후에는 출력을 유지하기 위해 이득은 1로 감소 - 발진기가 오프상태일 경우의 처음 발진은 저항 또는 다른 소자에 의한 광대역 잡음이나 전원의 턴-온에 따른 변화에 의해 Fig 16-3 Pos. Feedback 시동 동작

16-3. RC 귀환 발진기 RC 발진기는 1MHz까지의 주파수에서 사용되며, 윈브리지 발진기, 위상천이 발진기, 트윈 T형 발진기 - 사인파 발진기의 일종으로 지상-진상회로로 구성 - 낮은 주파수에서 진상회로가 우세하고, 주파수가 증가하면 XC2가 감소하고 출력이 증가 - 저항값과 리액턴스값이 각각 같다면 회로의 감쇠는 1/3 - fr 이하에서는 진상회로가 우세하고, fr 이상에서는 지상회로가 우세 윈브리지 발진기 진상-지상 회로와 응답곡선

- 증폭기의 폐루프 이득은 전압분배기에 의해 결정 기본 회로 - 진상-지상회로는 정귀환에, 전압분배기는 부귀환 회로에 사용되는 진상-지상 회로를 통해 출력이 입력으로 귀환되는 비반전 증폭기 - 증폭기의 폐루프 이득은 전압분배기에 의해 결정 Fig 16-6a&b 두 가지 회로 구성을 갖는 윈브리지 발진기

- 발진을 위해 정귀환 루프의 위상천이가 0°이고, 루프이득이 1 발진을 위한 정귀환 - 발진을 위해 정귀환 루프의 위상천이가 0°이고, 루프이득이 1 - 주파수가 fr일 때 0° 위상천이 조건이 만족되는데, 이는 진상-지상 회로에서의 위상천이가 0°이기 때문 - 귀환 루프의 단위 이득 조건은 Acl = 3 - 폐루프 이득이 3이 되기 위해서는 Fig. 16-7b Wien-bridge 발진을 유지하기 위한 조건

시동 조건 - 발진이 일어날 때까지의 폐루프 이득이 3보다 커야 하고, 발진이 일정하게 유지되기 위해서는 이득이 1이 되도록 증폭기의 이득이 3으로 감소 Fig 16-8a&b 발진기의 시동 조건

- 전압분배회로에 저항 R3와 병렬로 제너 다이오드 추가 발진을 유지시키기 위한 방법 - 전압분배회로에 저항 R3와 병렬로 제너 다이오드 추가 - 처음에 직류가 공급되면 두 개의 제너 다이오드가 개방되어 R1과 R3는 직렬 연결된 상태가 되므로 폐루프 이득은 증가 - 처음 작은 정귀환 신호가 잡음이나 턴-온 천이로부터 발생 자기 시동 윈브리지 발진기 - 진상-지상 회로는 비반전 입력에 공진주파수 fc과 같은 주파수 신호만을 허용 - 이 귀환신호가 증폭되고 지속적으로 보강되어 발진을 유지 - 출력이 제너항복 전압에 이르면 단락회로가 되어 결국 R3도 단락되고, 폐루프 이득이 3으로 감소 - 이 시점에서 전체 루프 이득은 1이고 출력은 안정되고 발진이 지속 - 귀환 발진기에 쓰이는 방법은 자동 이득 조절(AGC) 방법 - 또 다른 방법은 JFET을 이용한 방법 ⇒ 그림 16-11 Fig 16-10 Wien-bridge w/zeners

위상천이 발진기 - 귀환루프에 세 개의 RC 회로는 각각의 최대로 90°의 위상차 - 전체 위상차가 180°되는 주파수에서 발진 발생 - 연산증폭기 자체 위상천이가 180°, 귀환 회로망의 위상천이가 180°가 되므로 전체 360°의 위상천이가 발생하여 발진조건을 만족 - 세 개의 RC 회로망의 감쇠율은 B=1/29(B=R3/Rf) - 발진주파수는 위상천이 발진기

트윈 T형 발진기 - 부귀환로에 두 개의 T형 RC 필터를 채용한 트윈 T형 발진기 - 저역 통과 필터 + 고역통과 필터⇒ 대역 저지 필터(노치 필터) - 발진은 필터의 부귀환 때문에 fr 보다 높거나 낮은 주파수에서는 발생되지 않으므로 전압분배 회로를 통한 정귀환이 회로를 발진하게 함. Fig 17-11 JFET AGC 트윈 T형 발진기와 응답곡선

16-4. LC 귀환 발진기 콜피츠 발진기 LC 귀환 발진기 - 1MHz 이상의 주파수 발진에 사용 콜피츠, 클랩, 하틀리, 암스트롱, 수정 발진기 - 귀환루프에 위상천이를 시키거나 특정 주파수 만을 통과 시키는 공진필터처럼 동작하기 위해 LC회로를 이용 - 발진주파수 : - 탱크회로내의 커패시터는 직렬결합이므로 콜피츠 발진기 콜피츠 발진기

- 감소율 B는 C1과 C2 값에 의해 결정 발진과 시동 조건 - 발진조건은 AvB=1이고, B=C2/C1이므로 - 발진기가 자기 시동을 위해서는 AvB=1 보다 커야 하므로 전압이득이 C1/C2보다 크게 설정 되어야 함. 귀환회로에서 부하가 발진주파수에 미치는 영향 - 증폭기의 입력 임피던스는 귀환회로의 부하로 동작하며, 회로의 Q를 감소시킴. - 병렬공진회로의 공진주파수는 Q 값에 따라 결정 탱크회로의 감쇠율 결정 Fig 16-19 BJT Colpitts 부하가 발진 주파수에 미치는영향

- 입력 임피던스의 부하 효과를 최소화 하기 위해 BJT 대신 FET로 대치 가능 Fig 16-19 BJT Colpitts 발진기의 부하

클랩 발진기 - 콜피츠 발진기의 변형 - 공진 귀환회로의 인덕터와 직렬로 C3를 연결한 것 - C3도 탱크 회로의 C1, C2와 직렬이므로 전체 커패시턴스와 발진주파수(Q>10일 때)는 - 발진주파수는 거의 C3 에 의해 결정 Fig 16-22 Clapp osc. 기본적인 클랩 발진기

하틀리 발진기 - 콜피츠 발진기의 비슷하지만 두개의 직렬 인덕터와 한 개의 병렬 커패시터로 귀환회로가 구성 - 콜피츠 발진기의 비슷하지만 두개의 직렬 인덕터와 한 개의 병렬 커패시터로 귀환회로가 구성 - 발진주파수(Q>10일 때)는 - 인덕터는 감쇠율 B에 영향을 주며, 발진이 시작되기 위해서는 전압이득이 1/B보다 커야 함. - 회로의 Q가 감소하면 발진주파수도 감소 Fig 16-23 Hartley osc. 기본적인 하틀리 발진기

암스트롱 발진기 - 재생 발진기 - 귀환회로에 변압기를 결합한 발진기 - 이용도가 낮은 발진기(크기와 가격 문제) - 발진주파수 : Fig 16-24 Armstrong osc. 기본적인 암스트롱 발진기

수정 발진기 - 안정되고 정확한 발진기는 주파수 제어를 위한 귀환루프에 압전 수정을 사용한 발진기 - 압전 효과 : 기계적 충격에 의해 수정이 진동하고 기계적 진동의 주파수에서 전압을 발생하고 반대로 교류전압이 수정에 인가되면 인가된 전압의 주파수로 진동 - 기본 주파수 결정 : 기계적인 결정 방향, 절단하는 형태, 그 밖의 변수에 따라 결정되며, 결정편의 두께에 역비례 수정 결정 Fig 16-25 abc&d crystal 기본적인 수정 발진기

OP-Amp를 이용한 삼각파 발진기와 출력파형 16-5. 이완 발진기 삼각파 발진기 이완 발진기 : RC 타이밍 회로와 소자를 이용한 발진기 삼각파 발진기 : 적분기 이용 Fig 16-28 2 op-amp gen Fig 16-29 output waveforms 기본 삼각파 발진기 OP-Amp를 이용한 삼각파 발진기와 출력파형

전압제어 톱니파 발진기(VCO) - 전압제어 발진기(voltage-controlled oscillator ; VCO)는 가변 직류 전압에 따라 주파수가 변하는 이완 발진기 ⇒ 사인파 혹은 비사인파 생성 - 적분기의 귀환 커패시터와 병렬로 스위칭 소자 PUT가 연결되어 각 램프파 끝단에서 회로를 리셋 - 발진주파수는 적분기의 시정수 RiC 에 의해 결정되며, 최대 전압은 PUT에 의해 결정 Fig 16-28 2 op-amp gen 전압 제어 톱니파 발진기의 동작

구형파 발진기 - 커패시터의 충전과 방전에 의한 발진기 구형파 이완 발진기와 출력파형

16-6. 발진기로서의 555 타이머 - 555 타이머 구성 : 두 개의 비교기, 한 개의 플립플롭, 방전용 트랜지스터 및 전압분배기로 구성 Fig 16-37 555 timer 555 타이머 회로의 내부 블럭도

비안정 동작 - 비안정 동작발진 주파수 : 비안정 멀티 바이브레이터 비안정 모드에서 555 타이머 회로 동작 Fig 16-37 555 timer 비안정 모드에서 555 타이머 회로 동작

50% 이하의 듀티 사이클을 구현한 회로

전압제어 발진기의 동작 - 가변 조절 전압을 CONT 입력(pin 5) 으로 공급 - 제어전압이 증가하면 외부 커패시터의 충•방전시간을 증가시켜 주파수 감소 - 제어전압의 감소는 커패시터의 충•방전시간을 감소시켜 주파수를 증가 - VCO의 중요한 응용 : 수신신호의 주파수 변화를 추적하는 통신수신기의 PLL에 이용 555 타이머 를 이용한 전압제어 발진기 Fig 16-42 555 VCO 전압제어 발진기의 출력 파형