Chapter 16 발 진 기

Electronic Device (Floyd )- Ch. 16

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Chapter Chapter 1616발 진 기발 진 기


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• 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

16-1. 16-1. 발 진 기발 진 기

발진기 개념도

귀환 발진기의 기본 요소


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• 귀환 발진기의 기본원리 : 정귀환

• 정귀환

- 증폭기의 출력이 입력으로 위상천이나 출력 강화 없이 피드백

- 루프회로가 지속적으로 사인파 발생 : 발진

16-2. 16-2. 귀환 발진기의 귀환 발진기의 원리원리

정 귀 환

발진을 위한 정귀환


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1) 귀환 루프의 위상천이가 0°

2) 폐귀환 루프의 전압이득 Acl 이 1

Acl = AvB

발진 조건

발진 조건


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- 발진이 유지되기 위해서는 이득이 1 이지만 발진이 일어나기 위해서는 정귀환 루프 이득이 1 보다 커야 출력전압이 원하는 레벨로 증가

- 발진이 시작된 후에는 출력을 유지하기 위해 이득은 1 로 감소

- 발진기가 오프상태일 경우의 처음 발진은 저항 또는 다른 소자에 의한 광대역 잡음이나 전원의 턴 - 온에 따른 변화에 의해

시동 조건

시동 동작


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• RC 발진기는 1MHz 까지의 주파수에서 사용되며 , 윈브리지 발진기 , 위상천이 발진기 , 트윈 T 형 발진기

- 사인파 발진기의 일종으로 지상 - 진상회로로 구성

- 낮은 주파수에서 진상회로가 우세하고 , 주파수가 증가하면 XC2 가 감소하고 출력이 증가

- 저항값과 리액턴스값이 각각 같다면 회로의 감쇠는 1/3

- fr 이하에서는 진상회로가 우세하고 , fr 이상에서는 지상회로가 우세

RCf

V

V

r

in

out

2

1

3

1

16-3. 16-3. RCRC 귀환 발진기귀환 발진기

윈브리지 발진기

진상 - 지상 회로와 응답곡선


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기본 회로

- 진상 - 지상회로는 정귀환에 , 전압분배기는 부귀환 회로에 사용되는 진상 - 지상 회로를 통해 출력이 입력으로 귀환되는 비반전 증폭기

- 증폭기의 폐루프 이득은 전압분배기에 의해 결정

2

21

212 )/(

11

R

RR

RRRBAcl

두 가지 회로 구성을 갖는 윈브리지 발진기


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발진을 위한 정귀환

- 발진을 위해 정귀환 루프의 위상천이가 0° 이고 , 루프이득이 1

- 주파수가 fr 일 때 0° 위상천이 조건이 만족되는데 , 이는 진상 - 지상 회로에서의 위상천이가 0° 이기 때문

- 귀환 루프의 단위 이득 조건은 Acl = 3

- 폐루프 이득이 3 이 되기 위해서는 332

2

2

2

22

2

21

R

R

R

RR

R

RRAcl

발진을 유지하기 위한 조건


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시동 조건

- 발진이 일어날 때까지의 폐루프 이득이 3 보다 커야 하고 , 발진이 일정하게 유지되기 위해서는 이득이 1 이 되도록 증폭기의 이득이 3으로 감소

발진기의 시동 조건


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발진을 유지시키기 위한 방법

- 전압분배회로에 저항 R3 와 병렬로 제너 다이오드 추가

- 처음에 직류가 공급되면 두 개의 제너 다이오드가 개방되어 R1 과 R3 는 직렬 연결된 상태가 되므로 폐루프 이득은 증가

- 처음 작은 정귀환 신호가 잡음이나 턴 - 온 천이로부터 발생

2

3

2

32

2

321 33

R

R

R

RR

R

RRRAcl

- 진상 - 지상 회로는 비반전 입력에 공진주파수 fc 과 같은 주파수 신호만을 허용

- 이 귀환신호가 증폭되고 지속적으로 보강되어 발진을 유지

- 출력이 제너항복 전압에 이르면 단락회로가 되어 결국 R3 도 단락되고 , 폐루프 이득이 3 으로 감소

- 이 시점에서 전체 루프 이득은 1 이고 출력은 안정되고 발진이 지속

- 귀환 발진기에 쓰이는 방법은 자동 이득 조절 (AGC) 방법

- 또 다른 방법은 JFET 을 이용한 방법 ⇒ 그림 16-11

자기 시동 윈브리지 발진기


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- 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

RCf r

62

1

위상천이 발진기

위상천이 발진기


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- 부귀환로에 두 개의 T 형 RC 필터를 채용한 트윈 T 형 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 .

트윈 T 형 발진기와 응답곡선

트윈 T 형 발진기


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• 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 LC 회로를 이용

- 발진주파수 :

- 탱크회로내의 커패시터는 직렬결합이므로

Tr

LCf

2

1

21

21

CC

CCCT

16-4. 16-4. LCLC 귀환 발진기귀환 발진기

콜피츠 발진기

콜피츠 발진기


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발진과 시동 조건

- 감소율 B 는 C1 과 C2 값에 의해 결정

- 발진조건은 AvB=1 이고 , B=C2/C1 이므로

- 발진기가 자기 시동을 위해서는 AvB=1 보다 커야 하므로 전압이득이 C1/C2 보다 크게 설정 되어야 함 .

귀환회로에서 부하가 발진주파수에 미치는 영향

- 증폭기의 입력 임피던스는 귀환회로의 부하로 동작하며 , 회로의 Q 를 감소시킴 .

- 병렬공진회로의 공진주파수는 Q 값에 따라 결정

1

2

C

CB

2

1

C

CAv

2

1

C

CAv

12

12

2

Q

Q

LCf

Tr

탱크회로의 감쇠율 결정

부하가 발진 주파수에 미치는영향


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- 입력 임피던스의 부하 효과를 최소화 하기 위해 BJT 대신 FET 로 대치 가능

FET 콜피츠 발진기

발진기의 부하


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- 콜피츠 발진기의 변형

- 공진 귀환회로의 인덕터와 직렬로 C3

를 연결한 것

- C3 도 탱크 회로의 C1, C2 와 직렬이므로 전체 커패시턴스와 발진주파수 (Q>10 일 때 ) 는

- 발진주파수는 거의 C3 에 의해 결정

Tr

T

LCf

CCC

C

2

1

1111

321

클랩 발진기

기본적인 클랩 발진기


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- 콜피츠 발진기의 비슷하지만 두개의 직렬 인덕터와 한 개의 병렬 커패시터로 귀환회로가 구성

- 발진주파수 (Q>10 일 때 ) 는

- 인덕터는 감쇠율 B 에 영향을 주며 , 발진이 시작되기 위해서는 전압이득이 1/B보다 커야 함 .

- 회로의 Q 가 감소하면 발진주파수도 감소

CLf

LLL

Tr

T

2

121

1

2

2

1 ,L

LA

L

LB v

기본적인 하틀리 발진기

하틀리 발진기


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- 재생 발진기

- 귀환회로에 변압기를 결합한 발진기

- 이용도가 낮은 발진기 ( 크기와 가격 문제 )

- 발진주파수 :

12

1

CLf

prir

암스트롱 발진기

기본적인 암스트롱 발진기


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- 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

기본적인 수정 발진기

수정 발진기

수정 결정


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• 이완 발진기 : RC 타이밍 회로와 소자를 이용한 발진기

• 삼각파 발진기 : 적분기 이용

3

2

14

1

R

R

CRfr

16-5. 16-5. 이완 발진기이완 발진기

OP-Amp 를 이용한 삼각파 발진기와 출력파형

삼각파 발진기

기본 삼각파 발진기


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- 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 PUT 가 연결되어 각 램프파 끝단에서 회로를 리셋

- 발진주파수는 적분기의 시정수 RiC

에 의해 결정되며 , 최대 전압은 PUT 에 의해 결정

FPi

IN

iIN

FP

VVCR

Vf

Tf

CRV

VVT

1||

/1

/||

이므로

전압제어 톱니파 발진기 (VCO)

전압 제어 톱니파 발진기의 동작


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- 커패시터의 충전과 방전에 의한 발진기

구형파 발진기

구형파 이완 발진기와 출력파형


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- 555 타이머 구성 : 두 개의 비교기 , 한 개의 플립플롭 , 방전용 트랜지스터 및 전압분배기로 구성

16-6. 16-6. 발진기로서의 발진기로서의 555 555 타이머타이머

555 타이머 회로의 내부 블럭도


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- 비안정 동작발진 주파수 :

extr CRRf

)2(

44.1

21

비안정 동작

비안정 모드에서 555 타이머 회로 동작

비안정 멀티 바이브레이터


25

%1002

21

21

RR

RR사이클듀티

50% 이하의 듀티 사이클을 구현한 회로


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- 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

- VCO 의 중요한 응용 : 수신신호의 주파수 변화를 추적하는 통신수신기의 PLL 에 이용

555 타이머 를 이용한 전압제어 발진기

전압제어 발진기의 동작

전압제어 발진기의 출력 파형

Chapter 16 발 진 기

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