하틀리 발진기

하틀리 발진기(Hartley oscillator)는 축전기와 유도자로 구성된 동조 회로, 즉 LC 발진기에 의해 발진 주파수가 결정되는 전자 발진 회로이다. 이 회로는 1915년 미국인 공학자 랄프 하틀리에 의해 발명되었다. 하틀리 발진기의 특징은 동조 회로가 두 개의 유도자가 직렬로 연결된 단일 축전기(병렬 또는 단일 탭 유도자)로 구성되며, 발진에 필요한 피드백 신호가 두 유도자의 중앙 연결점에서 취해진다는 것이다.

 역사 

섬네일|235px|원래 1915년 특허 도면은 증폭을 위해 3극 진공관(#5)과 3개의 전지(그리드 바이어스용 #9, 3극 진공관 전원용 #10, 음극 가열용 #11), 그리고 튜닝을 위한 가변 축전기(#2)를 사용했다.

하틀리 발진기는 하틀리가 웨스턴 일렉트릭 컴퍼니의 연구소에서 근무할 때 발명되었다. 하틀리는 벨 시스템의 대서양 횡단 무선 전화 테스트를 감독하는 동안 1915년에 이 설계를 발명하고 특허를 출원했으며, 1920년 10월 26일 특허 번호 1,356,763을 받았다.

1946년 하틀리는 "3극 진공관진공관을 이용한 발진 회로에 대한 초기 연구"와 "제한된 대역폭을 가진 전송 시스템을 통해 전송될 수 있는 정보의 총량과 필요한 시간 사이의 근본적인 관계"에 대한 정보 이론 (주로 해리 나이퀴스트와 병행) 연구로 전기 전자 기술자 협회의 명예 훈장을 수상했다.

 작동 

framed|진공관 대신 공통 드레인 n-채널 JFET를 사용하는 하틀리 발진기.

하틀리 발진기는 두 개의 직렬 연결된 코일 (또는 종종 탭이 있는 코일)과 병렬로 연결된 축전기로 구성된 탱크 회로와 전체 LC 탱크에 걸쳐 비교적 높은 임피던스와 코일 사이의 비교적 낮은 전압/높은 전류 지점 사이에 증폭기가 있다는 점이 특징이다. 원래 1915년 버전은 공통 음극 구성에서 증폭 장치로 3극 진공관을 사용했으며, 3개의 전지와 별도의 조절 가능한 코일을 사용했다. 단순화된 공통 드레인JFET 회로도는 LC 탱크 (여기서 단일 권선은 탭이 있다)와 단일 전지를 사용하지만, 다른 점은 특허 도면과 본질적으로 동일하다. 이 회로는 하틀리 발진기의 작동을 보여준다:

 JFET의 소스(BJT가 사용된 경우 이미터; 3극 진공관의 경우 음극)에서 나오는 출력은 게이트(또는 베이스)의 신호와 동일한 위상을 가지며 입력과 거의 동일한 전압(전체 탱크 회로에 걸리는 전압)을 가지지만, 전류는 증폭된다. 즉, 전류 버퍼 또는 전압 제어 전압원으로 작동한다.
 이 저임피던스 출력은 코일 탭으로 공급되어 효과적으로 단권변압기로 들어가 전압을 높이는데, 이는 비교적 높은 전류(코일 상단에서 사용 가능한 전류에 비해)를 필요로 한다.
 축전기-코일 공명을 통해 동조 주파수 이외의 모든 주파수는 흡수되는 경향이 있다 (탱크는 낮은 주파수에서 유도자의 낮은 반응저항으로 인해 거의 0Ω으로 나타나고, 매우 높은 주파수에서는 축전기로 인해 다시 낮아진다); 또한 동조 주파수를 제외한 모든 주파수에서 발진에 필요한 0°에서 피드백의 위상을 이동시킨다.

단순 회로의 변형에는 종종 과부하 이하의 수준에서 일정한 출력 전압을 유지하기 위해 증폭기 이득을 자동으로 줄이는 방법이 포함된다. 위의 단순 회로는 양의 피크에서 게이트가 전도되어 출력 전압을 제한하며, 이는 발진을 효과적으로 억제하지만 상당한 디스토션(스퓨리어스고조파)이 발생할 수 있다. 원래 특허 회로도와 같이 탭이 있는 코일을 두 개의 별도 코일로 변경하면 여전히 작동하는 발진기가 되지만, 이제 두 코일이 자기적으로 결합되지 않으므로 인덕턴스 및 주파수 계산이 수정되어야 하며(아래 참조), 전압 증가 메커니즘에 대한 설명은 단권변압기 시나리오보다 더 복잡하다.

LC 탱크 피드백 배열에서 탭이 있는 코일을 사용하는 상당히 다른 구현은 공통 그리드(또는 공통 게이트 또는 공통 베이스) 증폭기 단계를 사용하는 것이다. 이 단자는 여전히 비반전이지만 전류 이득 대신 전압 이득을 제공한다. 코일 탭은 여전히 음극(또는 소스 또는 이미터)에 연결되지만, 이제 이것은 증폭기의 (저임피던스) 입력이다. 분할된 탱크 회로는 이제 플레이트(또는 드레인 또는 컬렉터)의 비교적 높은 출력 임피던스에서 임피던스를 낮춘다.

섬네일|하틀리 발진기와 콜피츠 발진기의 비교
하틀리 발진기는 콜피츠 발진기의 이중 발진기이며, 콜피츠 발진기는 두 개의 유도자 대신 두 개의 축전기를 전압 나누개로 사용한다. 두 코일 세그먼트 사이에 상호 인덕턴스가 필요하지 않지만, 회로는 일반적으로 여기에 표시된 대로 탭이 있는 코일을 사용하여 탭에서 피드백을 가져오는 방식으로 구현된다. 최적의 탭 지점(또는 코일 인덕턴스 비율)은 사용되는 증폭 장치에 따라 달라지며, 접합형 트랜지스터, FET, 3극 진공관 또는 거의 모든 유형의 증폭기(이 경우 비반전, 비록 접지된 중앙 지점과 반전 증폭기 또는 트랜지스터의 컬렉터/드레인에서 피드백이 있는 회로의 변형도 흔하지만)가 될 수 있지만, 접합형 전계효과 트랜지스터 (표시됨) 또는 3극 진공관은 신호 피크에서 다이오드 전도로 인해 충분한 역방향 바이어스가 형성되어 증폭을 제한하기 때문에 게이트 또는 그리드와 직렬로 연결된 간단한 그리드 리크 저항-축전기 조합(아래 스콧 회로 참조)으로 양호한 진폭 안정성(따라서 디스토션 감소)을 달성할 수 있기 때문에 자주 사용된다.

발진 주파수는 탱크 회로의 공진 주파수와 거의 같다. 탱크 축전기의 정전용량이 C이고 탭이 있는 코일의 총 유도계수가 L이면

인덕턴스 L1과 L2의 두 개의 비결합 코일이 사용되는 경우

그러나 두 코일이 자기적으로 결합되어 있으면 상호 인덕턴스 k 때문에 총 인덕턴스가 더 커진다.Jim McLucas, Hartley oscillator requires no coupled inductors, EDN October 26, 2006 

실제 발진 주파수는 코일의 기생 용량과 트랜지스터의 부하로 인해 위에서 주어진 것보다 약간 낮다.

하틀리 발진기는 몇 가지 장점이 있다.

 주파수는 한쪽이 접지될 수 있는 단일 가변 축전기를 사용하여 조절할 수 있다.
 출력 진폭은 주파수 범위에 걸쳐 일정하게 유지된다.
 탭이 있는 코일 또는 두 개의 고정 유도자가 필요하며, 다른 구성 요소는 거의 필요하지 않다.
 축전기를 (병렬 공진) 수정 결정으로 교체하거나 탱크 회로의 상단 절반을 수정 및 그리드 리크 저항으로 교체하여 (예: 트리테트 발진기) 정확한 고정 주파수 결정 진동자 변형을 쉽게 만들 수 있다.

출력은 LC 회로에서 직접 가져오지 않고 증폭기에서 가져온 경우 고조파가 풍부하다(진폭 안정화 회로가 사용되지 않는 한). 이는 장점 또는 단점으로 간주될 수 있다.

실용적인 예시
framed|약 10MHz의 발진 주파수를 가진 실용적인 공통 드레인 하틀리 발진기

회로도는 부품 값의 예시를 보여준다. 전계효과 트랜지스터 대신 원하는 주파수에서 이득을 생성할 수 있는 접합형 트랜지스터 또는 진공관과 같은 다른 능동 부품을 사용할 수 있다.

공통 드레인 증폭기는 높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 갖는다. 따라서 증폭기 입력은 LC 회로 C1, L1, L2의 높은 임피던스 상단에 연결되고 증폭기 출력은 LC 회로의 낮은 임피던스 탭에 연결된다. 그리드 리크 C2 및 R1은 그리드 리크 바이어스를 통해 동작점을 자동으로 설정한다. C2 값이 작을수록 고조파 왜곡은 줄어들지만, 더 큰 부하 저항이 필요하다. 부하 저항 RL은 회로의 일부가 아닌 시뮬레이션의 일부이다.

 같이 보기 
 광전자 발진기
 클랩 발진기
 콜피츠 발진기
 교차 결합 LC 발진기

 각주 

 참고 문헌 

 외부 링크 
 Hartley oscillator, Integrated Publishing

분류:1915년 도입