발진기 ( Osilrator )

1. 발진기(Osilrator) 허용우

2. 목차. • 발진기란? • 발진기의 동작원리 • 발진기의 구성 • 발진기의 종류

3. 발진기란? • 발진이란 에너지 변환의 하나로 트랜지스터의 증폭 또는 제어장치에 의해 직류에너지를 교류에너지(사인파 또는 펄스)로 변환하는 일을 말한다. • DC전원이 존재하는 능동회로/시스템에서 입력신호가 없는데 출력신호가 검출되는 상황.

4. 발진기란? (2) • 발진이 나면 안 되는 이유 1. 원치도 않는 주파수에서 아무렇게나 신호가 떠 버리므로  각종 스퓨어리스를 만들어 버립니다.2. 원치 않는 주파수성분을 만드는데 쓸데없이 전력을 소모해버립니다.3. 그 결과 원래 다루던 주파수신호의 이득과 전력이 떨어집니다.4. 신호처리가 가능하다 하더라도 들쑥날쑥한 전력으로 인해 특성이 일정하지 않고 흔들립니다.5. 발진으로 인해 과도한 발진 전력을 생성하면 주변회로나 계측기를 망가뜨릴 수 있습니다.6. 저혼자서 열나게 발진하다 지레 지처서 회로나 시스템이 아예 죽어 버리기도 합니다.

5. 발진기란? (3) • 발진에 의한 진동은 시간이 지남에 따라 그 에너지가 줄어드는데 매 진동시 감소되는 양만큼 외부적인 에너지를 공급해줌으로써 그 진동을 일정진폭으로 계속 유지시키는 장치. • 즉, 직류 전기에너지를 지속적인 교류 전기에너지로 변환시키는 장치. (DC신호 =>AC신호) • 특정 주파수원을 발생시켜서 신호원으로 사용해야 하는 경우에 쓰임.

6. 발진기란? (4) • 발진기와 증폭기의 차이 증폭기 : 신호를 증폭. 즉,신호의 이득이 중요한 파라메타. 발진기: 신호 발생을 위함이며, 신호의 순도, 즉, 위상잡음, 신호의 안정도가 중요한 파라메타.  위상 잡음을 좋게하기 위하여 MOS 구조 보단 Bipolar 구조를 선호. 신호의 안정도라는 것은 발진기에서 발생된 신호가 시간이 흐르면서 주파수 축상에서 고정되어야 하나, 실제 제작을 하면 왔다 갔다 움직이는 현상을 볼 수 있다. 발진기에서 발생된 신호가 주파수 축상에서 고정되어 있으면 신호의 안정도는 안정하다고 이야기 함. 원리의 경우 증폭기는 트랜지스터와 R,L,C로 구성되지만, 발진기는 그 외에 공진기를 사용. 공진기를 사용하는 이유는 위상잡음의 특성을 좋게하고, 신호의 안정도를 좋게 하기 위함.

7. 발진기의 동작원리 • 발진이 일어나는 과정 • (feedback이란 출력성분이 입력쪽으로 돌아가는 되먹임 현상)

8. 발진기의 동작원리 (2) • 발진의 경우 어떤 주파수에서 발진이 뜰지 알 수 없으므로 발진기는양귀환증폭기의 귀환회로에 공진기라는 일종의 필터를 삽입시켜, 발진하는 주파수가 일정하게 되도록 한다. • (공진기는 공진현상을 이용해서 특정 주파수의 파나 진동을 끌어내기 위한 장치)

9. 발진기의 동작원리 (3) • negative resistance (부성저항) : 전압 변화와 전류 변화의 비가 음수가 되는 경우의 저항으로 개념적인 용어로 이를 이용하여 발진의 시작과, 정상상태 도달, 발진신호의 크기 증가량 등 여러 개념을 다룰 수 있다. • 발진조건 안정도가 1보다 낮아야 발진가능 초기발진 정상상태 발진

10. 발진기의 구성 • 크게 두가지로 분류. • 입력측에서negative resistance 조건이 발생시키는 Transistor와 negative resistance를 가지고 있는 Gunn, IMPATT diode

11. 발진기의 구성 (2) • Transistor 대부분의 발진기들은 이런 BJT/FET를 이용하여 불안정 조건을 만들고, negative resistance 조건이 생성되도록 feedback network와 공진기를 구성하고, 출력 매칭을 통해 완성. • Gunn, IMPATT diode 자체 negative resistance를 갖고 있기 때문에 적절한 DC bias와 출력조건만 잡아주면 깨끗하게 잘 발진함. 그러나 가격이 비싸고 구조적 크기 문제도 있기 때문에, 상용화된 대량생산용 RF보다는 양보다 질로 승부하는 millimeter wave 분야에서 주로 사용됨.

12. 발진기의 종류 • 발진 방식 :LC발진기, RC발진기, 수정발진기 • 사용하는 디바이스 :트랜지스터발진기, 전자관발진기, 마그네트론발진기, 크라이스트론발진기 등 • 발생 주파수 : 저주파, 고주파, 마이크로파 발진기 • 발생 파형 : 사인파, 삼각파, 펄스파발진기

13. 발진기의 종류 (2) • 주로발진방식에 따라 발진기분류. 1. LC발진회로는 수십khz ~ 수Ghz까지 비교적 높은 주파수 발진에 많이 사용한다. RF발진회로의 99%이상이 LC 발진회로. 발진주파수 F = 1/(2 x pi x √LC) 낮은주파수의 발진은 L이 너무 커지기 때문에 잘 사용하지 않는다.LC발진회로는 RC발진회로에 비해 Q값이 높기때문에 비교적 간단한 회로로도 깨끗한 사인파를만들수 있다. L은 온도에 따라 인덕턴스값이 변하기 때문에 이를 보상하기 위해 온도보상용 콘덴서를 사용함.

14. 발진기의 종류 (3) 2. RC 발진회로는 수Mhz이하에서 주로 많이 사용하고 대표적인 회로는 윈브리지,이상형등이 있다. 그외비안정멀티바이브레이터도RC발진회로중 하나. 발진주파수 F = 1/(2 x pi x R x C) RC발진회로는 주파수안정,온도드리프트등의 특성은 별로 좋지 않지만 광범위한 주파수가변이 가능하고, 낮은 주파수발진에 유리. 사인파를 발생하기 위해서는 이득을 항상 적당히 조절해주는 회로(AGC)가 필요한데 서미스터,전구,FET,LED+CDS소자등을 사용한다.

15. 발진기의 종류 (4) 3. 수정발진회로는 가장 안정된 발진주파수를 만들어 준다. 따라서 시계나 기준주파수등에 사용. 다만 주파수를 바꾸는 것이 힘들다. 물론 PLL등을 사용하여 주파수 신세사이저를 만들면 안정되고 주파수가변이 되는 발진회로를 만들수 있다. X-TAL의 발진주파수는 수정편의 두께와 자르는 각도에 의해 결정됩니다.