Oszillatoren
Ein Oszillator ist ein selbsttätiger Schwingungserzeuger. Die Prinzipschaltung des Oszillators besteht aus einer frequenzbestimmenden Baugruppe. Bspw. eine Widerstand-Spule- oder Spule-Kondensator-Kombination. Danach folgt eine Amplitudenbegrenzung mit einem Verstärker. Diese Schaltung sorgt für eine Phasenverschiebung zum Signal der Frequenzbestimmenden Baugruppe. Der Ausgang des Verstärkers wird an den Eingang dieser Baugruppe kapazitiv (mit Kondensator) oder induktiv (mit Spule/Induktivität) zurückgekoppelt.
Winkel Lambda λ: Phasenverschiebung des Verstärkers
Winkel Phi φ: Phasenverschiebung der restlichen Schaltung
Vorraussetzung zur Schwingungserzeugung
- Ringverstärkung
Spannungsverstärkung des Verstärkers vu.
Rückkopplungsfaktor k auf den Verstärker bezogen.
Der Verstärker muss den Energieverlust der Rückkopplung ausgleichen.
- Phasenbedingung
Für eine Mitkopplung muss die Eingangsspannung des Verstärkers in Phase zur eingestellten Spannung stehen.
In jeder Schaltung gibt es ein Rauschen in allen Frequenzen im µV-Bereich. Das ist meistens unerwünscht. Nicht so in einem Oszillator. Das Rauschen in einer Schaltung ist die Anfangsfrequenz, die den Oszillator zum Anschwingen anregt:
Das kann eine Oberwelle beim Einschalten des Oszillators sein. Stimmen Ringverstärkung und Phasenbedingung, so kommt es zum gleichmäßigen Schwingen:
Zusammenfassung
Ein Oszillator kann nur dann schwingen, wenn er ein verstärkendes Element enthält, dessen Ausgangsspannung auf den Eingang rückgekoppelt ist, und wenn 2 Bedingungen erfüllt sind.
- Das Signal durchläuft vom Eingang bis zurück zum Eingang einmal das verstärkende Element mit einem durch die Schaltung vorgegebenen Verstärkungsfaktor. Das Produkt aus Verstärkung und Dämpfung muss größer eins sein.
- Das Signal erfährt auf seinem Weg vom Verstärkerausgang zurück zum Eingang eine gewisse Dämpfung. Das Signal muss beim Wiedereintreffen am Verstärkereingang so gepolt sein bzw. eine solche Phasenlage haben, dass es das am Eingang wirkende Signal verstärkt. Das ist die sogenannte Phasenbedingung.
Sind beide Bedingungen erfüllt, dann kann ein beliebiges am Eingang wirkendes Signal (z. B. eine Rauschspannung) bewirken, dass ein sich selbst aufbauender und unterhaltender Schwingungsvorgang entsteht.
Anwendungen und Schaltungen
- NE555 als monostabile Kippstufe (Monoflop)
- NE555 als astabile Kippstufe
- 555-CMOS: 50%-Duty-Cycle-Generator von Thomas Schaerer
- Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) mit dem CD4046B / MC14046B von Thomas Schaerer
- Dreieckgenerator mit Operationsverstärker von Thomas Schaerer
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