Tại sao chúng ta chỉ nhận được một tần số là đầu ra trong bộ dao động?

Tôi chỉ tham gia vào các bộ dao động trong đó tôi đã học $AB=1$ để duy trì các dao động trong phản hồi tích cực. Vì $A$ và $B$ đều phụ thuộc tần số, $AB=1$ chỉ đúng với một tần số cụ thể.

1. Điều gì xảy ra với các tần số mà $AB>1$ giữ ??

2. Những tần số này sẽ tiếp tục được khuếch đại cho đến khi mạch giới hạn giới hạn chúng?

3. Vậy thì tại sao chúng ta không có được những tần số đó trong đầu ra của mình ??

Tại sao chúng ta chỉ nhận được một tần số là đầu ra trong bộ dao động?

Dao động hoạt động ở một tần số bằng cách đảm bảo hai điều: -

• Tín hiệu được đưa trở lại để duy trì dao động là chính xác cùng pha với tín hiệu mà nó đang cố gắng duy trì. Hãy suy nghĩ về việc gõ nhẹ vào một con lắc đang lắc ở đúng vị trí và, đúng hướng.
• Độ lợi vòng lặp là nhiều hơn một chút so với thống nhất. Điều này đảm bảo rằng một dây gân được sản xuất mà không có quá nhiều biến dạng và nó được "duy trì". Nếu mức tăng vòng lặp nhỏ hơn 1, thì nó không thể "duy trì" một dao động.

Vì vậy, nếu chúng ta thiết kế một mạng chuyển pha có một pha dịch chuyển duy nhất cho mỗi tần số mà nó xử lý, chúng ta sẽ có một bộ dao động, nhưng chỉ khi tín hiệu được đưa trở lại đủ biên độ để duy trì dao động.

Tuy nhiên, một số mạng chuyển pha có thể tạo ra sự dịch pha là bội số của tần số dao động cơ bản. Nói cách khác, nếu 1 MHz tạo ra sự dịch pha 360 độ, có thể một số tần số cao hơn có thể tạo ra 720 độ (2 x 360). Điều này có khả năng làm phát sinh dao động duy trì ở hai tần số (thường được coi là không thể chấp nhận được).

Vì vậy, chúng tôi thiết kế mạng chuyển pha để đảm bảo rằng ứng viên "cùng pha" tần số cao hơn có biên độ thấp hơn nhiều so với ứng viên "cơ bản" và, cho rằng chúng tôi chỉ cho phép mức tăng là thống nhất hoặc cao hơn một chút (để điều chỉnh tổn thất trong mạng chuyển pha) cho tần số chúng ta muốn, ứng viên có tần số cao hơn sẽ không gây ra dao động.

Trên đây cũng được gọi là tiêu chí Barkhausen .

Vậy điều gì xảy ra với những tần số có AB> 1 ??

Độ bão hòa.

Hãy nói rằng có một số tần số với loop $AB \ge 1$ và $n2\pi$ giai đoạn chuyển đổi, nhưng chúng ta hãy gọi một với loop cao nhất $f_x$ . Với $f_x$ , $AB > 1$ và bạn có thể mong đợi nó tạo ra một dao động với biên độ tăng theo thời gian. Nhưng không có mạch thực sự có thể có đầu ra tăng biên độ vô thời hạn. Thường có một số hành vi bão hòa giới hạn biên độ đầu ra.

Và khi điều này xảy ra, nó có xu hướng giảm mức tăng cho tất cả các tần số, không chỉ tần số có mức tăng vòng lặp siêu thống nhất. Vì vậy, chiếm bão hòa, tần số này $f_x$ sẽ kết thúc với $AB=1$ và tất cả các tần số khác mà phân tích tuyến tính nói với bạn có $AB \ge 1$ nhưng ít hơn ở $f_x$ , bây giờ có $AB < 1$ , vì vậy họ không còn dao động vô hạn.

Một câu trả lời ngắn từ phía tôi:

Bạn không được nghĩ về độ lớn mà thôi. Đừng quên giai đoạn. Sản phẩm AB phải là một sản phẩm THỰC SỰ. Một mạch chọn lọc tần số có cường độ cũng như pha là một hàm của tần số. Và - đối với một thiết kế chính xác - sẽ chỉ có một tần số duy nhất có thể đáp ứng cả hai điều kiện cùng một lúc (tiêu chí dao động Barkhausens với mức tăng vòng lặp AB = 1 ):

• | A * B | = 1 (vì lý do thực tế có phần lớn hơn "1", ví dụ "1.2") và

• phaseshift exp (j * phi) = 1 (phi = 0).

Đối với mục đích này, hầu hết các bộ dao động được biết đến sử dụng bộ lọc thông thấp, thông cao hoặc băng thông làm các yếu tố phản hồi. Nhưng cũng có những cấu trúc liên kết (nâng cao hơn) khác.

• Giả sử bạn có nghĩa là một bộ dao động tinh thể cổ điển (XOs) với đầu ra sóng vuông (chế độ nối tiếp hoặc song song).

Khi bão hòa xảy ra, mức tăng vòng lặp (GH hoặc AB) giảm xuống 0, ngoại trừ trong quá trình chuyển đổi tuyến tính của đầu ra. Tinh thể hoạt động như một bộ lọc thông dải để tạo ra sóng hình sin ở đầu vào cũng có thể chứa sóng hài, nhưng tốc độ xoay của đầu ra sóng vuông thường nhanh hơn nhiều so với đầu vào sóng hình sin, do đó năng lượng sóng hài không đủ thời gian tuyến tính để khuếch đại khi nó không bão hòa và mức tăng bằng không, do đó bị triệt tiêu.

Thêm thông tin

• Tuy nhiên, trong các bộ dao động tuyến tính, hàm lượng sóng hài có thể đóng góp vào nhiễu pha, vì vậy những bộ có nhiễu pha thấp nhất có Q cao nhất ở mức cơ bản, chẳng hạn như các tinh thể cắt SC, ví dụ như bộ dao động tinh thể điều khiển lò 10 MHz (OCXO) so với cắt AT tiêu chuẩn thường được sử dụng ở mọi nơi Đó là tất cả những gì tôi sẽ nói về điều này cho đến bây giờ.

Tuy nhiên, đối với các cấu trúc tinh thể nhỏ hơn> = 33 MHz cộng hưởng, mức tăng của sóng hài có xu hướng cao hơn mức cơ bản. Vì vậy, bạn sẽ tìm thấy chúng được phân loại là "tinh thể âm lượng".

Đối với bộ tạo dao động phản hồi CMOS, thường một chuỗi R (3 kΩ ~ 10 kΩ) từ đầu ra được sử dụng để hạn chế công suất tiêu tán uW trong tinh thể microslice VÀ ở tần số cao >> 10 MHz cũng tạo ra sự suy giảm bổ sung sóng hài từ hiệu ứng RC với lần đầu tiên tải tụ điện. Phổ biến nhất là hòa âm thứ ba hoặc "âm bội", nhưng âm bội cao hơn được sử dụng >> 150 MHz.

Nhưng khi các sóng hài chọn lọc được mong muốn cho dao động (3, 5, 7, v.v.) thì cách tinh thể được xử lý hoặc điều chỉnh LC thụ động bổ sung giúp tăng cường sự hài hòa của sự lựa chọn.

Cảnh báo phổ biến nhất cho các thiết kế XO "Không bao giờ sử dụng biến tần đệm" (ba giai đoạn khuếch đại tuyến tính so với một) để tránh khuếch đại sóng hài. Khi chúng bão hòa biến tần và mức tăng giảm xuống 0, chúng triệt tiêu tần số cơ bản trừ một khoảng thời gian chuyển tiếp ngắn. Chúng có thể hoạt động giống như một vòng lặp khóa tiêm (Ill) trong đó nó có thể dao động ngẫu nhiên ở mức cơ bản hoặc hài hòa tùy theo mức tăng tương đối và điều kiện khởi động. Nhưng với một biến tần được đệm, có nhiều cơ hội hơn trong thời gian chuyển tiếp đầu ra để gây ra các trục trặc hài hòa giả trên các chuyển đổi và khóa vào sóng hài.

Tuy nhiên, những người đã sử dụng thành công bộ biến tần đệm (bao gồm cả bản thân tôi) cho XO giờ đây có thể hiểu rằng loại tinh thể và mức tăng tương đối thấp hơn của sóng hài đã bảo vệ XO không bị khóa theo tần số cơ bản mong muốn. Trong một số trường hợp, đây có thể là một lợi thế, nhưng đó là một câu hỏi khác.

Mặc dù tất cả các câu trả lời đều đúng, tôi tin rằng tất cả đều thiếu tinh thần câu hỏi của bạn.

Thuật ngữ "bộ dao động" thường áp dụng cho một mạch được thiết kế đặc biệt để tạo ra dạng sóng AC ở tần số cụ thể. Điều này đòi hỏi một số lựa chọn thiết kế nhằm giảm thiểu các hiệu ứng không mong muốn. Điều này đặc biệt đúng đối với các bộ dao động tuyến tính (là trường hợp tăng vòng lặp được nêu trong câu hỏi của bạn).

Bạn đặc biệt thiết kế mức tăng là hơi lớn hơn 1 ở một tần số cụ thể và bạn thiết kế / dựa vào phi linearities trong hệ thống để giữ ổn định dao động. Nếu bạn cho phép tăng được nhiều lớn hơn 1 thì bạn dừng lại có một tuyến tính dao động.

Tuy nhiên, đơn giản hóa kỹ thuật hữu ích này xuất phát từ việc có mức tăng vòng lặp chỉ lớn hơn một chút cho phép bạn coi nó như một bộ dao động tuyến tính, trong khi thực tế thì không. Những gì bạn thực sự có là trường hợp biên đơn giản hóa của một hệ thống động lực phi tuyến tính với quỹ đạo tuần hoàn ổn định tiếp cận một hình sin.

Nếu bạn tiếp tục phát triển hệ động lực đó (ví dụ bằng cách tạo AB >> 1), bạn có thể đạt đến một cực trị khác, một bộ dao động thư giãn rất phi tuyến tính nhưng ổn định hoặc trong các trường hợp trung gian, bạn sẽ tìm thấy một chuỗi nhân đôi thời gian tạo ra một bộ dao động hỗn loạn như Mạch của Chua hoặc bộ tạo dao động Van Der Pol .

Hình ảnh này là từ việc thực hiện mạch của Chua, bạn có thể thấy rằng nó hoạt động như một bộ tạo dao động thư giãn / dao động tuyến tính kết hợp. Nhưng "thành phần thư giãn" là không định kỳ và lâu dài không thể đoán trước.

Có những cách sử dụng cho tất cả các phương án đó, nhưng lý thuyết dao động tuyến tính đặc biệt tránh xa những điều kiện đó.

$|A\ \beta| = 1$$\angle A\ \beta = 0$

$A$

$\beta$

$|A\ \beta| = 1$$v_o$$v_f$$v_f$$v_o$

$|A\ \beta| > 1$$\pm$

Độ lợi và độ suy giảm không ổn định và đầu ra của bộ khuếch đại tăng theo đường ray công suất của bộ khuếch đại. Nếu nó là một bộ dao động sóng hình sin, đầu ra tăng cho đến khi bộ khuếch đại bão hòa và nó không còn là sóng hình sin nữa. Ngọn được cắt bớt.

$|A\ \beta| < 1$

$|A\ \beta| = 1$$\angle A\ \beta = 0$$^\circ$

Vì vậy, mấu chốt của câu hỏi của bạn là: Tại sao dao động không dao động ở các tần số khác? Điều này được chi phối bởi các thành phần được sử dụng (điện trở, tụ điện, cuộn cảm và bộ khuếch đại).