Ostsillaator

Ostsillaator (ladina keeles "oscillare" – kiikuma, võnkuma) on elektrongeneraator, mis tekitab lihtharmoonilist võnkumist (sumbumatut harmoonilist võnkumist) ehk siinusvõnkumisi .
Ostsillaatorlülituse põhiosad on võnkesagedust määrav element ja võnkumist alalhoidev võimenduslülitus.
Sagedust määravaks elemendiks võib olla LC-võnkering, kvartsresonaator või ka RC-lüli, näiteks Wieni sild. Selektiivsust määrav lüli ühendatakse võimendi positiivse tagasiside ahelasse. Kõrgetel, gigahertsides mõõdetavatel sagedustel võib võimenduslülitust asendada negatiivse diferentsiaaltakistusega element ‒ tunneldiood või Gunni diood.
Ostsillaatorit võib niisiis vaadelda positiivselt tagasisidestatud võimendina. Toite sisselülitamisel tekib võimendi elementides paratamatult teatav omamüra pinge, mis võimendatuna kandub tagasisideahela kaudu sisendisse, suurendades sisendpinge väärtust. Et võimendusastme koormuseks oleva rööpvõnkeringi takistus on suurim tema resonantsisagedusel, siis kandub suurima amplituudiga tagasi just selle sagedusega pingekomponent. Kui tagasisidepinge on küllaldase amplituudiga ja faasis sisendpingega, siis kasvab ta järjest, kuni saavutab toitepinge ja võimenduslülituse omadustega määratud püsiväärtuse.
Sumbumatute võnkumiste tekkimiseks peavad olema täidetud sisend- ja väljundpingete amplituudide ning faaside tasakaalu tingimused.
Sisend- ja väljundpingete amplituudid on tasakaalus, kui võimenduselemendi võimendusteguri "K" ja tagasisideahela ülekandeteguri "B" korrutis on 1 ("B" on võimendi sisendisse rakenduva tagasiside pinge ja võimendi väljundpinge suhe).
Faaside tasakaalu tingimus nõuab, et võimendis tekkiva faasinihkenurga ja tagasisideahelas tekkiva faasinihkenurga summa oleks null. Seega on faaside tasakaalu tingimus täidetud juhul, kui tagasisideahelast saabuv pinge on sisendpingega faasis, st tagasiside peab olema positiivne.
LC-ostsillaatorid.
LC-võnkeringiga ostsillaatorid koostatakse enamasti induktiivses või mahtuvuslikus kolmpunktlülituses: Nimetus tuleneb sellest, et rööpvõnkering ühendatakse võimenduselemendiga kolmes punktis. Nii ühendatakse bipolaartransistori korral võnkering oma kahes punktis kollektori ja baasi vahele ning harundpoolide või kondensaatorite ühenduskohast kolmanda punktina emitteriga. Pinged kollektoril ja baasil on harundi suhtes vastandfaasis, mis tagabki positiivse tagasiside.
Amplituudide tasakaalu tingimuse täitmiseks valitakse sobiv tagasiside tugevus, mille määrab induktiivsuste suhe L2/"L"1 (induktiivses kolmpunktlülituses). Tagasiside valitakse sellise minimaalse tugevusega, et lülitus veel kindlalt ostsilleeriks. Ülemäära tugeva tagasiside korral koormub võimenduselement üle, mille tagajärjeks on mittelineaarmoonutus ja sellega kaasnevad harmoonilised sagedused.
Hartley ostsillaator.
Hartley ostsillaator on induktiivne kolmpunktlülitus, milles võnkering koosneb kahest jadaühenduses poolist (praktikas ühest harundiga poolist) ja nendega rööbiti ühendatud kondensaatorist. James Hartley sai sellele lülitusele patendi 1920. aastal; võimenduselemendiks oli elektronlamp (triood).
Hartley ostsillaator on näiteks kasutusel raadiovastuvõtja sagedusmuunduri koosseisus heterodüüni ehk kohaliku ostsillaatori nime all (inglise "local oscillator"). Võnkeringi häälestussageduse reguleerimiseks kasutatakse muudetava mahtuvusega kondensaatorit.
Colpittsi ostsillaator.
Colpittsi ostsillaator on mahtuvuslik kolmpunktlülitus, milles võnkering koosneb kahest jadaühenduses kondensaatorist ja nendega rööbitisest induktiivpoolist. Edwin H. Colpitts patenteeris ostsillaatori skeemi 1918. aastal.
Kristallostsillaatorid.
Ostsillaatori tähtis omadus on võnkesageduse stabiilsus, mida väljendab resonantsisageduse kõikumise ulatus kesksageduse suhtes teatud ajavahemiku jooksul. Kõige olulisemaks stabiilsust mõjutatavaks teguriks on ümbruse temperatuur.
LC-võnkeringiga ostsillaatoris jääb ebastabiilsus vahemikku 0,5‒1%. Kui on vaja suuremat stabiilsust, asendatakse ostsillaatoris LC-võnkering kvartsresonaatoriga, mispuhul sageduse stabiilsus kasvab umbes 100-kordselt. Kvartskristallist resonaatori asemel kasutatakse laialdaselt palju odavamat, ent ka vähem stabiilset keraamilist resonaatorit.
Niisuguse kristallresonaatori baasil on George W. Pierce (1872–1956) loonud lihtsa skeemiga ostsillaatori, mida võib vaadelda kui Colpittsi generaatori erikuju. Pierce'i ostsillaator koos loogikalülitustega on kasutusel taktgeneraatorina digitaallülitustes.
Sellistes ostsillaatorites tavaliselt kasutatakse kvartskristalle, kuna nende hüvetegur ("Q") on väga kõrge ning kvartsi sagedus on stabiilne kindlas temperatuuri vahemikus. Praktikas, kus töö temparatuuride vahemik või sageduse tolerants on kriitilised parameetrid, pannakse kvartskristall korpusesse.
Takistus "R", induktiivsus "L" ja mahtuvus "Cb" on ühendatud järjestikku ning näitavad kristalli mehaaniliste vibratsioonide karakteristiku elektrilisi ekvivalente. Paralleelselt ühendatud kondensaator "Cp" kujutab endast elektrostaatilist mahtuvust kristalli elektroodide vahel.