Osilatörler - 3

           Geri besleme(Feedback) neredeyse tüm elektronik devrelerde çok önemli bir rol oynar. Yükselteçlerin vazgeçilmez parçalarıdır çünkü onların performansını artırır ve ideale yaklaştırır. Geri besleme sürecinde, çıkışın bir parçası örneklenir ve yükseltecin girişene beslenir. Böylece girişte 2 sinyalimiz olur: Giriş sinyali ve çıkıştan alınıp geri beslenen sinyal. Bu iki sinyal aynı veya farklı fazda olabilirler. Eğer aynı fazda iseler buna pozitif geri besleme, farklı fazla iseler negatif geri besleme denir.

Pozitif geri besleme osilasyona sebebiyet verir ve bu nedenle elektronik devrelerde istenilen frekansta osilasyon üretmek için kullanılır. Bu devrelere ise osilatör dendiğini daha önce söylemiştim.

Geri besleme, çıkış sinyalinin bir kısmının girişe beslemeye yarayan bir özelliktir. Böyle bir geri besleme giriş sinyali ile çıkıştan beslenen sinyalin aynı fazda olmasıyla pozitif ismini alır. Şimdi aşağıdaki şekli inceleyelim;

Vs sinüs sinyalinin, yükseltecin faz çevirmeyen (non-inverting) girişene uygulandığını farz edelim. Böylece Vo sinyali Vs ile aynı fazda olmuş olacak. Çıkışın sinyalini bir kısmı feedback network ile girişe beslenir. Çıkışın ne kadarının girişe besleneceği ise β kazancı ile belirlenir. Geri besleme kolu hiçbir faz değişikliği yapmaz ve giriş sinyali Vs ile geri besleme sinyali Vf aynı fazlı olmuş olur.

Yükseltecin açık döngü kazancı yükselteç çıkışının girişe oranıdır.

Tüm devre için giriş Vs ve çıkış Vo ‘dur. Çıkışın girişe oranı geri beslemenin de etkisi düşünüldüğünde kapalı döngü kazancı veya geri beslemeli devre kazancı (Af) olarak bilinir.

Geri besleme pozitif olduğu için yükseltecin girişi Vs ile toplanarak bulunur.

Geri besleme gerilimi β kazancına bağlıdır.

Bu denklem bir önceki denklemde kullanılırsa

elde edilir. Bu sonuç ise Af nin denkleminde kullanılırsa;

Payı ve paydayı Vi ye bölerek ifadeyi yükseltecin kazancı cinsinden aşağıdaki gibi yazabiliriz.

Yukarıdaki sonuç geri beslemeli kazancın (Af),  geri besleme kazancının (β) artması ile artacağını bize gösterir. Limit durumunda ise devrenin herhangi bir giriş sinyaline gerek kalmadan (Vs=0) sadece çıkışı girişe besleyerek bir çıkış sinyali oluşturulabilir. Benzer şekilde çıkış sonsuz olamayacak ve osilasyona neden olacaktır. Diğer bir değişle yükseltme bitecek ve salınma başlayacaktır.

Burada β kazancının 1’den küçük bir kesir olduğu unutulmamalıdır. Geri besleme devresi bir sönümleme devresidir ve bu yüzden osilasyonun başlaması için A β>1 olmalıdır, ancak devre bir osilatör gibi çalışıp sinüs sinyali üretirken kararlı hale gelecek ve kendini A β=1 olacak şekilde ayarlayacaktır.

Osilatör, herhangi bir giriş sinyali olmadan pozitif geri besleme kullanarak istenilen frekansta çıkış sinyali üreten bir yükselteçtir. Osilatörler gigahertz seviyesine kadar ulaşabilen frekansta sinyaller üretebilirler.

Barkhausen Kriteri

Basit, açık döngü kazancı A olan ve faz çeviren bir yükselteci düşünelim. Geri besleme kazancı β birden küçüktür. Yükselteç faz çeviren olduğundan girş ve çıkış arasında 180 derece faz farkı oluşur.

Şimdi ise Vi giriş sinyalini çıkıştan geri besleme devresi sayesinde besleyelim. Geri besleme pozitif olması gerektiğinden çıkıştan beslenen sinyal ile giriş sinyali Vi aynı fazda olması gerekir. Bu yüzden geri besleme devresi de 180 derece bir faz kayması oluşturmak zorundadır. Bu durum aşağıdaki şekille özetlenebilir.

Buradan aşağıdaki iki denklem göz önüne alınırsa;

elde edilir.

    1) Osilasyon için geri besleme sinyalinin (Vf) tek başına yükselteci sürebilmesi gerekir. Buda Vf nin Vi gibi davranması demektir. Bu şart;

olduğunda sağlanmış olur. (Vf=Vi)

2) Aynı zamanda Vf ile V inin aynı fazda olması da gerekir. Böylece devre içerisindeki toplam faz kayması 360 olur.

Bu durumda Vf, devreyi dışarıdan başka bir girişe gerek kalmadan bir osilatör gibi sürebilecektir.

Devrenin bir ösilatör gibi çalışmasını sağlamak için belirlenen bu iki şarta Barkhausen Kriteri denir.

Pratikte ise giriş sinyaline gerek yoktur, sadece A β çarpımı osilasyona başlamak için 1’den büyük seçilir ve devre kendini A β=1 olacak şekilde kararlı hale getirir. Şimdi A β çarpımının genlik üzerindeki etkisini inceleyelim.

Aşağıda üç ayrı grafikte osilasyonun A β çarpımının durumuna göre durumu gösterilmiştir. 

Tüm durumlarda da faz farkı 0 veya 360 derecedir. Birinci durumda A β çarpımı 1 den büyük olduğu için osilasyon genliği sürekli artacaktır. İkinci durumda A β çarpımı 1’e eşittir ve Barkhausen Kriteri sağlanmış olur, bu tür bir ösilasyon sürekli/kararlı osilasyon olarak bilinir, bunun nedeni sabit genlikte ve sabit frekansta salınım yapmasıdır. Son durumda A β çarpımı 1’den küçüktür ve genlik zamanla azalır, bu devre osilasyonsuz bir yükselteç gibi davranır.

Daha önce de belirtiğim gibi osilasyonu başlatmak için A β çarpımı 1’den büyük tutulur ve devre onu Barkhausen Kriterine uyacak şekilde 1’e ayarlar.

Peki eğer Vi gibi bir giriş sinyali yok ise osilasyonu başlatacak olan çıkış sinyali nasıl elde edilir? Bunun cevabı ise gürültü dediğimiz olayda gizlidir. Oda koşullarında dirençlerin içerisinde bulunan serbest elektronlar sıcaklık etkisiyle hareket ederler. Bu rastgele elektron hareketleri yükseltecin girişinde gürültü sinyali dediğimiz bir gerilim oluşturur. Böyle küçük bir gerilimi yükseltip osilasyona başlamak için ise A β çarpımı 1’den büyük seçilir. Yükselmiş gerilim yükseltecin çıkışında görülür ki bu voltaj da yükseltecin girişini sürecek kadar yeterlidir. Sonra devre A β çarpımını 1’e eşitler ve kararlı bir osilasyonu başlatmış olur.

Osilatörler, oluşturdukları sinyallerin şekillerine, kullanılan parametrelere ve frekans aralıklarına göre sınıflandırırlar.

Şekillerine göre;

Sinüs ve sinüs olmayan olarak ikiye ayrılırlar. Sinüs olanlar çıkışta sünüş sinyali oluşturan osilatörlerdir. Sinüs olmayanlar ise çıkışında üçgen, kare, testere dalga formlarına sahip olanlara denir.

Kullandığı devre elemanlarına göre;

RC, LC ve Kristal osilatörler olarak bilinirler.

Frekans aralığına göre;

Ses frekansı (20-20Khz)/ düşük frekans, radyo frekansı (200Khz-Ghz)/ yüksek frekans olarak sınıflandırılırlar. Düşük frekanslı osilatörler RC osilatörleri iken yüksek frekanslı osilatörler LC osilatörleridir.

Geri besleme kullanıp kullanmamasına göre;

Geri beslemenin kullanıldığı osilatörler yukarıda belirtilen şartları sağlayan, geri besleme ağına sahip olan osilatörlerdir. Geri beslemenin kullanılmadığı osilatörler de üstündeki özel devre elemanın negatif direnç bölgesi kullanılarak gerçekleştirilir. Bunun en iyi örneği UJT relaxation osilatörüdür.

Esen kalın…

Emin Üçer

@Emin_Ucer