진동회로: 진동회로란 무엇인가? (정의, 종류, 및 응용)
오실레이터란?
오실레이터는 어떠한 입력 없이 연속적이고 반복적인 교류 파형을 생성하는 회로입니다. 오실레이터는 기본적으로 DC 소스의 일방향 전류 흐름을 구성 요소에 의해 결정된 원하는 주파수의 교류 파형으로 변환합니다.
오실레이터의 작동 원리는 그림 1에 표시된 LC 탱크 회로의 행동을 분석함으로써 이해할 수 있습니다. 여기서 인덕터 L과 완전히 충전된 콘덴서 C를 구성 요소로 사용합니다. 먼저, 콘덴서는 인덕터를 통해 방전되며, 이는 전기 에너지를 인덕터에 저장되는 전자기 필드로 변환합니다. 콘덴서가 완전히 방전되면 회로에서 전류 흐름이 중단됩니다.
그러나 그 시점까지, 저장된 전자기 필드는 동일한 방향으로 회로를 통과하는 전류 흐름을 유발하는 역전압을 생성합니다. 이 전류 흐름은 전자기 필드가 붕괴되고 전자기 에너지가 다시 전기 형태로 역변환될 때까지 계속되며, 이를 통해 주기가 반복됩니다. 그러나 이제 콘덴서는 반대 극성으로 충전되어 출력으로 진동 파형을 얻게 됩니다.
그러나 두 에너지 형태 간의 상호 변환으로 인해 발생하는 진동은 회로의 저항으로 인한 에너지 손실의 영향을 받기 때문에 영원히 지속될 수 없습니다. 결과적으로, 이러한 진동의 진폭은 점진적으로 감소하여 0이 되어 차단되는 특성을 갖습니다.
이는 지속적이고 일정한 진폭의 진동을 얻기 위해서는 에너지 손실을 보상해야 함을 의미합니다. 그러나 공급되는 에너지는 정확하게 제어되어 손실된 에너지와 같아야 하며, 그렇지 않으면 일정한 진폭의 진동을 얻을 수 없습니다.
공급되는 에너지가 손실된 에너지보다 많다면, 진동의 진폭은 증가하여 (그림 2a) 왜곡된 출력을 초래합니다. 반면, 공급되는 에너지가 손실된 에너지보다 적다면, 진동의 진폭은 감소하여 (그림 2b) 지속 불가능한 진동을 초래합니다.
실제로, 오실레이터는 출력 신호의 일부를 입력으로 피드백하는(그림 3) 증폭기 회로일 뿐입니다. 여기서 증폭기는 트랜지스터 또는 오프셋 앰프와 같은 증폭 활성 요소로 구성되며, 동위상 피드백 신호는 회로의 손실을 보상하여 진동을 유지합니다.
전원이 켜지면, 시스템 내의 전자 노이즈로 인해 진동이 시작됩니다. 이 노이즈 신호는 루프를 따라 이동하며 증폭되어 매우 빠르게 단일 주파수 사인파로 수렴합니다. 그림 3에 표시된 오실레이터의 폐루프 이득 식은 다음과 같습니다:
여기서 A는 증폭기의 전압 이득이고, β는 피드백 네트워크의 이득입니다. 만약 Aβ > 1이라면, 진동의 진폭은 증가합니다 (그림 2a); 반면, Aβ < 1이라면, 진동은 감쇠됩니다 (그림 2b). 반면, Aβ = 1이라면, 일정한 진폭의 진동이 발생합니다 (그림 2c). 즉, 피드백 루프 이득이 작다면, 진동은 소멸하고, 피드백 루프 이득이 크다면, 출력은 왜곡됩니다. 피드백 이득이 1이어야만 일정한 진폭의 진동이 발생하여 자기 유지 진동 회로가 형성됩니다.
오실레이터의 종류
오실레이터는 많은 종류가 있지만, 크게 조화 진동기(또는 선형 진동기)와 이완 진동기 두 가지 주요 범주로 분류할 수 있습니다.
조화 진동기에서는 에너지 흐름이 항상 활성 구성 요소에서 수동 구성 요소로 이동하며, 진동의 주파수는 피드백 경로에 의해 결정됩니다.
반면, 이완 진동기에서는 에너지가 활성 구성 요소와 수동 구성 요소 사이에서 교환되며, 진동의 주파수는 충전 및 방전 시간 상수에 의해 결정됩니다. 또한, 조화 진동기는 낮은 왜곡 사인파 출력을 생성하지만, 이완 진동기는 비사인파(톱니 모양, 삼각형 또는 사각형) 파형을 생성합니다.
주요 오실레이터의 종류는 다음과 같습니다:
Wien Bridge Oscillator
RC Phase Shift Oscillator
Hartley Oscillator
Voltage Controlled Oscillator
Colpitts Oscillator
Clapp Oscillators
Crystal Oscillators
Armstrong Oscillator
Tuned Collector Oscillator
Gunn Oscillator
Cross-Coupled Oscillators
Ring Oscillators
Dynatron Oscillators
Meissner Oscillators
Opto-Electronic Oscillators
Pierce Oscillators
Robinson Oscillators
Tri-tet Oscillators
Pearson-Anson Oscillators
Delay-Line Oscillators
Royer Oscillators
Electron Coupled Oscillators
Multi-Wave Oscillators
오실레이터는 고려되는 매개변수에 따라 다양한 종류로 분류될 수 있습니다. 예를 들어, 피드백 메커니즘, 출력 파형의 형태 등에 따라 분류할 수 있습니다. 이러한 분류 유형은 아래에 나열되어 있습니다:
피드백 메커니즘 기반 분류: 양의 피드백 오실레이터와 음의 피드백 오실레이터.
출력 파형의 형태 기반 분류: 사인파 오실레이터, 사각파 또는 직사각파 오실레이터, 톱니 모양 출력 파형을 생성하는 스윕 오실레이터 등.
출력 신호의 주파수 기반 분류: 저주파 오실레이터, 오디오 주파수 대역의 출력 신호를 생성하는 오디오 오실레이터, 라디오프리퀀시 오실레이터, 고주파 오실레이터, 매우 고주파 오실레이터, 초고주파 오실레이터 등.
주파수 제어 유형 기반 분류: RC 오실레이터, LC 오실레이터, 주파수 안정화된 출력 파형을 생성하기 위해 석영 크리스탈을 사용하는 크리스탈 오실레이터 등.
출력 파형의 주파수 특성 기반 분류: 고정 주파수 오실레이터와 가변 또는 조정 가능한 주파수 오실레이터.
오실레이터의 응용
오실레이터는 특정 주파수의 신호를 생성하기 위한 저렴하고 쉬운 방법입니다. 예를 들어, RC 오실레이터는 저주파 신호를 생성하고, LC 오실레이터는 고주파 신호를 생성하며, 오프셋 앰프 기반 오실레이터는 안정적인 주파수를 생성합니다.
진동 주파수는 포텐셔미터 배열로 구성 요소 값을 변경하여 조정할 수 있습니다.
오실레이터의 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다:
쿼츠 시계(크리스탈 오실레이터 사용)
다양한 오디오 시스템 및 비디오 시스템에서 사용
라디오, TV 및 기타 통신 장치에서 사용
컴퓨터, 금속 탐지기, 스텐건, 인버터, 초음파 및 라디오프리퀀시 응용 분야에서 사용
마이크로프로세서 및 마이크로컨트롤러의 클록 펄스 생성에 사용
알람 및 부저에서 사용
금속 탐지기, 스텐건, 인버터, 초음파에서 사용
장식용 조명(예: 댄싱 라이트) 작동에 사용
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