อิเล็กทรอนิกส์ ออสซิลเลเตอร์

รูปแสดง op-amp relaxation oscillator ที่เป็นที่นิยม

อิเล็กทรอนิกส์ ออสซิลเลเตอร์ (อังกฤษ: Electronic Oscillator) เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ผลิตสัญญาณออกมาซ้ำ ๆกัน คลื่นไฟฟ้าที่ออกมาส่วนใหญ่จะเป็น sine wave และคลื่นรูปสี่เหลี่ยม Oscillators มีแหล่งจ่ายไฟเป็นกระแสตรง (DC) มีเอาต์พุตเป็นสัญญาณดังกล่าวเพื่อใช้ในการส่งสัญญาณวิทยุและโทรทัศน์, สัญญาณนาฬิกาที่ควบคุมการทำงานของคอมพิวเตอร์ทุกชนิด, นาฬิกาควอทซ์และเสียงที่ผลิตโดย beepers อิเล็กทรอนิกส์และวิดีโอเกม.

Oscillators แบ่งตามลักษณะของความถี่ของสัญญาณเอาต์พุต ได้แก่:

• oscillator เสียงที่มนุษย์ได้ยิน (audio frequency)ผลิตความถี่อยู่ในช่วงเสียงประมาณ 16-20 kHz.
• oscillator RF ผลิตสัญญาณคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ช่วงประมาณ 100 kHz ถึง 100 GHz.
• oscillator ความถี่ต่ำ (LFO) สร้างสัญญาณความถี่ต่ำกว่า 20 Hz ≈ คำนี้มักจะใช้ในด้านการสังเคราะห์เสียงจะแตกต่างจาก oscillator เสียง
• Oscillators เพื่อผลิตเอาต์พุต AC พลังงานสูงจากไฟกระแสตรงมักจะเรียกว่าอินเวอร์เตอร์

oscillator อิเล็กทรอนิกส์ แบ่งเป็นสองประเภทหลักคือ oscillator เชิงเส้นหรือฮาร์โมนิคและ oscillator ไม่เชิงเส้นหรือผ่อนคลาย

oscillator เชิงเส้น

บล็อกไดอะแกรมของวงจร Feedback Linear Oscillator: วงจรขยาย A กับเอ้าท์พุท Vo, Feedback Vf ผ่านตัวกรอง β(jω)

oscillator แบบฮาร์โมนิคหรือเชิงเส้นผลิตเอาต์พุตคลื่นซายน์ มีสองประเภท ได้แก่

Feedback Oscillator

รูปแบบที่พบมากที่สุดของ oscillator เชิงเส้นคือวงจรขยายสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์เช่นแอมป์ทรานซิสเตอร์หรือออพแอมที่เชื่อมต่อกับ feedback loop ที่มีเอาต์พุตป้อนกลับเป็นอินพุทโดยผ่านทางตัวกรองเฉพาะความถี่เพื่อให้เป็น positive feedback เมื่อเริ่มจ่ายไฟไปให้วงจรขยายสัญญาณ สัญญาณรบกวนในวงจรอิเล็กทรอนิกส์จะเริ่มให้วงจรออสซิลเลเตอร์ทำงาน สัญญาณรบกวนดังกล่าวเดินทางเป็นวงรอบในวงจรมีการขยายกำลังและถูกกรองเฉพาะความถี่ที่ต้องการออกมาเป็นคลื่นซายน์ที่ความถี่เดียว

วงจร feedback สามารถจำแนกตามชนิดของตัวกรองเลือกความถี่ ดังนี้

• วงจร RC, ตัวกรองประกอบด้วยตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ. RC oscillator ส่วนใหญ่จะใช้ในการสร้างความถี่ต่ำเช่นในช่วงเสียงออดิโอ ประเภททั่วไปของวงจร RC ได้แก่ Phase-shifted Oscillator และ Wien Bridge Oscillator

เปรียบเทียบระหว่าง แบบ Hartley และ แบบ Colpitts

• วงจร LC เป็นวงจรกรองแบบปรับความถี่ได้ ที่ประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำ (L) และตัวเก็บประจุ (C) เชื่อมต่อกันได้. ประจุไฟฟ้าจะไหลไปมาระหว่างแผ่นตัวเก็บประจุกับตัวเหนี่ยวนำ ดังนั้นวงจรกรองปรับความถี่สามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าที่จะสั่นที่ความถี่เรโซแนนซ์(การสั่นพ้อง, เรโซแนนซ์, ปรากฏการณ์เมื่อระบบถูกทำให้สั่นด้วยความถี่เท่ากับความถี่ธรรมชาติของระบบเองแล้ว การสั่นนั้นจะสั่นได้รุนแรงหรือมีช่วงกว้างของการสั่นกว้างมากที่สุด [พจนานุกรมศัพท์ สสวท) ของ L และ C นั้น มีการสูญเสียเล็กน้อยในวงจรดังกล่าว แต่วงจรขยายสัญญาณสามารถชดเชยการสูญเสียเหล่านั้นได้และจ่ายพลังงานเอาต์พุตเป็นสัญญาณออกมา oscillators LC มักจะสร้างความถี่วิทยุ ใช้กับงานที่ต้องมีการปรับความถี่เช่นในเครื่องสร้างสัญญาณ, ในเครื่องส่งสัญญาณวิทยุและการปรับหาสถานีในเครื่องรับวิทยุ โดยทั่วไป วงจร LC จะได้แก่ Hartley, Colpitts and Clapp

วงจร electronic oscillator ความถี่ 1 MHz ที่ใช้การสั่นของผลึกควอทซ์เพื่อควบคุมความถี่ ให้สัญญาณนาฬิกาสำหรับอุปกรณ์ดิจิตอลเช่นคอมพิวเตอร์

• วงจรคริสตัล ใช้ผลึกคริสตัลในการสร้างความถี่ คริสตัลจะสั่นด้วยแรงกล ทำตัวเหมือนตัวเรโซเนเตอร์ ความถี่ของการสั่นสะเทือนกำหนดความถี่ของสัญญาณที่ผลิต คริสตัลมีค่า Q-factor สูงมากและความมั่นคงด้านอุณหภูมิดีกว่า LC หรือ RC oscillators จึงถูกนำมาใช้เพื่อรักษาเสถียรภาพของความถี่ของเครื่องส่งสัญญาณวิทยุมากที่สุดและเพื่อสร้างสัญญาณนาฬิกาในคอมพิวเตอร์และนาฬิกาควอทซ์ oscillators คริสตัลมักจะใช้วงจรเดียวกับ oscillators LC แต่ใช้คริสตัลแทนที่วงจรการปรับความถี่; วงจรเพียร์ซเป็นที่นิยมใช้ ผลึกควอตซ์มีข้อจำกัดโดยทั่วไปที่ความถี่ 30 MHz หรือต่ำกว่า คลื่นพื้นผิว (SAW) เป็นอุปกรณ์อีกชนิดหนึ่งของ piezoelectric resonator ทำให้ได้ความถี่ที่สูงขึ้นมาก ออสซิลเลเตอร์ดังกล่าวจะใช้ในการใช้งานเฉพาะที่จำเป็นต้องมีการอ้างอิงความถี่สูงเช่นในโทรศัพท์มือถือ

Negative Resistance Oscillator

บล็อกไดอะแกรมทั่วไปของ Negative resistance oscillator ในบางวงจรอุปกรณ์ความต้านทานเชิงลบจะต่อขนานกับวงจรเรโซแนนซ์

นอกจากนี้ feedback oscillator ที่อธิบายไว้ข้างต้นซึ่งใช้ทรานซิสเตอร์และออพแอมป์แล้ว, oscillator แบบเชิงเส้นยังมีอุปกรณ์ที่มีความต้านทานเชิงลบ เช่น หลอดแมกนีตรอน, ทันเนลไดโอด, และกันน์ไดโอด อีกด้วย. oscillators ต้านทานเชิงลบมักจะใช้ความถี่สูงในช่วงไมโครเวฟหรือสูงกว่า เพราะที่ความถี่สูงขนาดนี้ feedback oscillator ทำงานได้ไม่ดีเนื่องจากเฟสชิฟมากเกินไปในเส้นทาง feedback

ใน oscillators ต้านทานเชิงลบ, วงจรเรโซแนนซ์เช่นวงจร LC, คริสตัลหรือ cavity resonator มีการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ที่มีความต้านทานที่หักล้างกันเอง วงจรเรโซแนนซ์โดยมันตัวเองเกือบจะเป็น oscillator อยู่แล้ว; โดยที่มันสามารถเก็บพลังงานในรูปแบบของการแกว่งทางอิเล็กทรอนิกส์ถ้ากระตุ้นมัน แต่เพราะมีความต้านทานและความสูญเสียภายในอื่นๆ ทำให้การแกว่งลดลงเป็นศูนย์ ความต้านทานเชิงลบของอุปกรณ์ได้หักล้างการต้านทาน(เชิงบวก)ภายในตัวเรโซเนเตอร์ เป็นผลให้ลดการลดทอนและสร้างการสั่นอย่างต่อเนื่องที่เกิดขึ้นเองที่ความถี่เรโซแนนซ์ของมันเอง

oscillator แบบความต้านทานเชิงลบไม่จำกัดเฉพาะอุปกรณ์พอร์ตเดียวเหมือนไดโอด; วงจร feedback oscillator ที่ใช้อุปกรณ์ขยายสองพอร์ตเช่นทรานซิสเตอร์และหลอดก็มีความต้านทานเชิงลบเช่นกัน ในช่วงความถี่สูงทรานซิสเตอร์และ FETs ไม่ต้องการการ feedback แต่เมื่อใส่โหลดบางอย่างเข้าที่พอร์ตหนึ่งจะทำให้เกิดความไม่แน่นอนที่อีกพอร์ตหนึ่ง ทำให้เกิดความต้านทานเชิงลบป้อนกลับภายใน เกิดการสั่นขึ้น ดังนั้น oscillators ความถี่สูงโดยทั่วไปได้รับการออกแบบโดยใช้เทคนิคความต้านทานเชิงลบ.

อุปกรณ์ที่ใช้งานใช้ใน oscillators และความถี่สูงสุดโดยประมาณ

อุปกรณ์	ความถี่
Triode vacuum tube	1 GHz
Bipolar transistor (BJT)	20 GHz
Heterojunction Bipolar Transistor (HBT)	50 GHz
Metal Semiconductor Field Effect Transistor (MESFET)	100 GHz
High Electron Mobility Transistor (HEMT)	200 GHz
Gunn diode, fundamental mode	100 GHz
Gunn diode, harmonic mode	200 GHz
IMPATT diode	300 GHz
Klystron tube	200 GHz
Magnetron tube	100 GHz
Gyrotron tube	300 GHz

วงจร

ตัวอย่างบางส่วนของวงจรเชิงเส้น:

• Armstrong oscillator
• Hartley oscillator
• Colpitts oscillator
• Clapp oscillator
• Delay line oscillator
• Pierce oscillator (crystal)
• Phase-shift oscillator
• Wien bridge oscillator
• Cross-coupled LC oscillator
• Vackář oscillator
• Opto-electronic oscillator
• Tri-tet oscillator
• Robinson oscillator

oscillator แบบผ่อนคลาย

oscillator แบบไม่เชิงเส้นหรือแบบผ่อนคลายสร้างรูปคลื่นที่ไม่ใช่ซายน์ เช่น คลื่นสี่เหลี่ยม, คลื่นฟันเลื่อยหรือสามเหลี่ยม. วงจรประกอบด้วยอุปกรณ์จัดเก็บพลังงาน (เช่นตัวเก็บประจุหรือมีบ้างที่เป็นคอยล์) และวงจรสวิทช์ที่ไม่เชิงเส้น (เช่นวงจร latch, Schmitt trigger และอุปกรณ์ความต้านทานลบ) ที่ค่อยๆเก็บและระบายประจุไฟฟ้าเป็นระยะ ๆ จึงทำให้ได้รูปคลื่นที่มีการเปลี่ยนระดับอย่างกระทันหัน

oscillators ผ่อนคลายแบบคลื่นสี่เหลี่ยม ถูกใช้ในการให้สัญญาณนาฬิกาสำหรับวงจรลอจิกลำดับเช่นตัวตั้งเวลาและตัวนับ แม้ว่า oscillators คริสตัล จะเป็นที่นิยมใช้เพราะมีเสถียรภาพสูงกว่า oscillator คลื่นรูปสามเหลี่ยมหรือแบบฟันเลื่อยถูกใช้ในวงจร timebase ที่สร้างสัญญาณสแกนแนวนอนสำหรับจอภาพของ Oscilloscope และโทรทัศน์แบบแอนะล็อก ในเครื่องกำเนิดฟังชั่น คลื่นสามเหลี่ยมนี้แล้วอาจจะแปรรูปต่อไปเป็นคลื่นที่ใกล้เคียงกับคลื่นไซน์

oscillators แบบวงแหวนถูกสร้างขึ้นมาจากวงแหวนของขั้นตอนที่ใช้งานที่ถูกหน่วงเวลา โดยทั่วไปวงแหวนมีเลขคี่ของขั้นตอนกลับหัว เพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่มีเสถียรภาพเพียงสถานะเดียวสำหรับแรงดันไฟฟ้าแหวนภายใน แต่การเปลี่ยนแปลงเพียงครั้งเดียวจะแพร่กระจายไปรอบ ๆ แหวนไม่รู้จบ

วงจร oscillator แบบผ่อนคลายรวมถึง:

• multivibrator
• ring oscillator
• delay line oscillator
• Royer oscillator
• rotary traveling wave oscillator

oscillator แบบควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า(VCO)

บล็อกไดอะแกรมของ Voltage-controlled Oscillator (VCO)

oscillator สามารถออกแบบเพื่อให้ความถี่สามารถปรับได้ด้วยกระแสหรือแรงดันที่อินพุท oscillators ที่สามารถควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าที่มีการใช้กันอย่างแพร่หลายใน phase-locked loop ที่ซึ่งความถี่ของ oscillator หนึ่งสามารถถูกล๊อกกับความถี่ของ oscillator อื่นได้ วงจรนี้เป็นที่แพร่หลายในการสื่อสารที่ทันสมัย​​, ใช้ในการกรอง, modulators, demodulators และใช้บนพื้นฐานของวงจรสังเคราะห์ความถี่ที่ใช้ในการปรับแต่งวิทยุและโทรทัศน์

VCOs ความถี่วิทยุมักจะถูกสร้างโดยการเพิ่มไดโอด Varactor ในวงจรหาคลื่นสถานีส่งหรือโดยการเพิ่มตัวสร้างเรโซแนนซ์ในวงจร oscillator การเปลี่ยนแรงดันไฟตกคร่อม varacter จะเปลี่ยนแปลงค่า capacitance ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงความถี่เรโซแนนซ์ของวงจรหาคลื่นด้วย oscillator แบบผ่อนคลายที่ถูกควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าสามารถถูกสร้างขึ้นโดยการชาร์จและการดีสชาร์จตัวเก็บประจุด้วยแหล่งจ่ายกระแสควบคุมด้วยแรงดัน การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่อินพุทจะไปเพิ่มอัตราของการชาร์จประจุของตัวเก็บประจุ แต่ไปลดเวลาระหว่างการเปลี่ยนชาร์จ/ดีสชาร์จนั่นคือลดความถี่ในวงจร oscillator

ดูเพิ่ม

• Voltage-controlled oscillator
• Injection locked oscillator
• Numerically controlled oscillator
• Opto-Electronic Oscillator
• Phase-locked loop
• Barkhausen stability criterion