Oscillatore Hartley - Hartley oscillator

L' oscillatore Hartley è un circuito oscillatore elettronico in cui la frequenza di oscillazione è determinata da un circuito sintonizzato costituito da condensatori e induttori , ovvero un oscillatore LC. Il circuito è stato inventato nel 1915 dall'ingegnere americano Ralph Hartley . La caratteristica distintiva dell'oscillatore Hartley è che il circuito accordato è costituito da un singolo condensatore in parallelo con due induttori in serie (o un singolo induttore tappato), e il segnale di feedback necessario per l'oscillazione è preso dalla connessione centrale dei due induttori.

Storia

Disegno di brevetto originale

L'oscillatore Hartley è stato inventato da Hartley mentre lavorava per il Laboratorio di Ricerca della Western Electric Company . Hartley ha inventato e brevettato il progetto nel 1915 mentre supervisionava i test radiotelefonici transatlantici di Bell System; è stato assegnato il brevetto numero 1.356.763 il 26 ottobre 1920. Si noti che lo schema di base mostrato sotto etichettato "Circuito Hartley Common-drain" è essenzialmente lo stesso del disegno del brevetto, tranne per il fatto che il tubo è sostituito da un JFET e che il la batteria per una polarizzazione negativa della rete non è necessaria.

Nel 1946 Hartley ricevette la medaglia d'onore IRE "Per i suoi primi lavori sui circuiti oscillanti che impiegano tubi triodi e allo stesso modo per il suo riconoscimento precoce e la chiara esposizione della relazione fondamentale tra la quantità totale di informazioni che possono essere trasmesse su un sistema di trasmissione di limitata larghezza di banda e il tempo necessario." (La seconda metà della citazione si riferisce al lavoro di Hartley sulla teoria dell'informazione che è stato in gran parte parallelo a Harry Nyquist .)

operazione

Circuito Hartley a scarico comune

L'oscillatore di Hartley si distingue per un circuito a serbatoio costituito da due bobine collegate in serie (o, spesso, una bobina a spillo ) in parallelo con un condensatore, con un amplificatore tra l' impedenza relativamente alta attraverso l'intero serbatoio LC e la tensione relativamente bassa/ punto di alta corrente tra le bobine. La versione originale del 1915 utilizzava un triodo come dispositivo di amplificazione in configurazione a piastra comune (inseguitore di catodo), con tre batterie e bobine regolabili separate. Il circuito semplificato mostrato a destra utilizza un JFET (in configurazione common-drain ), un circuito del serbatoio LC (qui viene sfruttato il singolo avvolgimento) e una singola batteria. Il circuito illustra il funzionamento dell'oscillatore Hartley:

• l'uscita dalla sorgente del JFET ( emettitore , se fosse stato utilizzato un BJT ; catodo per un triodo) ha la stessa fase del segnale alla sua porta (o base) e all'incirca la stessa tensione del suo ingresso (che è la tensione attraverso il intero circuito del serbatoio), ma la corrente è amplificata , cioè agisce come un buffer di corrente o una sorgente di tensione controllata in tensione .
• questa uscita a bassa impedenza viene quindi alimentata nella presa della bobina, effettivamente in un autotrasformatore che aumenterà la tensione, richiedendo una corrente relativamente elevata (rispetto a quella disponibile nella parte superiore della bobina).
• con la risonanza del condensatore-bobina , tutte le frequenze diverse dalla frequenza sintonizzata tenderanno ad essere assorbite (il serbatoio apparirà vicino a 0Ω vicino a DC a causa della bassa reattanza dell'induttore alle basse frequenze, e di nuovo basso a frequenze molto alte a causa del condensatore ); sposteranno anche la fase del feedback dallo 0° necessario per l'oscillazione tranne la frequenza sintonizzata.

Le variazioni sul circuito semplice spesso includono modi per ridurre automaticamente il guadagno dell'amplificatore per mantenere una tensione di uscita costante a un livello inferiore al sovraccarico; il semplice circuito sopra limiterà la tensione di uscita dovuta al gate che conduce su picchi positivi, smorzando efficacemente le oscillazioni ma non prima che si possano verificare distorsioni significative ( armoniche spurie ). Cambiare la bobina filettata in due bobine separate, come nello schema del brevetto originale, risulta ancora in un oscillatore funzionante ma ora che le due bobine non sono accoppiate magneticamente l'induttanza, e quindi la frequenza, il calcolo deve essere modificato (vedi sotto), e la spiegazione del meccanismo di aumento della tensione è più complicata rispetto allo scenario dell'autotrasformatore.

Un'implementazione abbastanza diversa che utilizza una bobina tappata in una disposizione di retroazione del serbatoio LC consiste nell'impiegare uno stadio amplificatore a griglia comune (o a porta comune o a base comune), che è ancora non invertente ma fornisce guadagno di tensione anziché guadagno di corrente ; la presa della bobina è ancora collegata al catodo (o sorgente o emettitore), ma questo è ora l'ingresso (a bassa impedenza) dell'amplificatore; il circuito del serbatoio diviso sta ora abbassando l'impedenza dall'impedenza di uscita relativamente alta della piastra (o dello scarico o del collettore).

Confronto tra oscillatore Hartley e Colpitts

L'oscillatore Hartley è il doppio dell'oscillatore Colpitts che utilizza un partitore di tensione composto da due condensatori anziché due induttori. Sebbene non sia necessario che vi sia un accoppiamento reciproco tra i due segmenti di bobina, il circuito viene solitamente implementato utilizzando una bobina presa, con il feedback prelevato dalla presa, come mostrato qui. Il punto di presa ottimale (o rapporto delle induttanze della bobina) dipende dal dispositivo di amplificazione utilizzato, che può essere un transistor a giunzione bipolare , FET , triodo o amplificatore di quasi tutti i tipi (non invertente in questo caso, sebbene variazioni del circuito con sono comuni anche un punto centrale messo a terra e il feedback da un amplificatore invertente o dal collettore/drain di un transistor), ma spesso viene impiegato un FET di giunzione (mostrato) o un triodo come un buon grado di stabilità di ampiezza (e quindi di riduzione della distorsione ) può essere ottenuto con una semplice combinazione resistore-condensatore di dispersione della griglia in serie con il gate o la griglia (vedere il circuito Scott di seguito) grazie alla conduzione del diodo sui picchi di segnale che genera una polarizzazione negativa sufficiente per limitare l'amplificazione.

Versione con amplificatore operazionale dell'oscillatore Hartley

La frequenza di oscillazione è approssimativamente la frequenza di risonanza del circuito del serbatoio. Se la capacità del condensatore del serbatoio è C e l' induttanza totale della bobina intercettata è L, allora

${\displaystyle f={1 \over 2\pi {\sqrt {LC}}}\,}$

Se si utilizzano due bobine disaccoppiate di induttanza L ₁ e L _2, allora

${\displaystyle L=L_{1}+L_{2}\,}$

Tuttavia, se le due bobine sono accoppiate magneticamente, l'induttanza totale sarà maggiore a causa dell'induttanza reciproca k

${\displaystyle L=L_{1}+L_{2}+k{\sqrt {L_{1}L_{2}}}\,}$

La frequenza di oscillazione effettiva sarà leggermente inferiore a quella indicata sopra, a causa della capacità parassita nella bobina e del carico da parte del transistor.

Vantaggi dell'oscillatore Hartley:

• La frequenza può essere regolata utilizzando un singolo condensatore variabile, di cui un lato può essere collegato a terra
• L'ampiezza di uscita rimane costante nell'intervallo di frequenza
• Sono necessari una bobina filettata o due induttori fissi e pochissimi altri componenti
• Facile da creare un'accurata variazione dell'oscillatore a cristallo a frequenza fissa sostituendo il condensatore con un cristallo di quarzo (risonante parallelo) o sostituendo la metà superiore del circuito del serbatoio con un resistore a cristallo e griglia (come nell'oscillatore Tri-tet ) .

Svantaggi:

• Uscita ricca di armoniche se prelevata dall'amplificatore e non direttamente dal circuito LC (a meno che non si utilizzi un circuito di stabilizzazione dell'ampiezza).

Guarda anche

• Oscillatore optoelettronico

Riferimenti

• Langford-Smith, F. (1952), Radiotron Designer's Handbook (4a ed.), Sydney, Australia: Amalgamated Wireless Valve Company Pty., Ltd.
• Registrazione, FA; Stiles, JL (giugno 1943), "An Analytical Demonstration of Hartley Oscillator Action", Atti dell'IRE , 31 (6), doi : 10.1109/jrproc.1943.230656 , ISSN  0096-8390
• Rohde, Ulrich L.; Poddar, Ajay K.; Böck, Georg (maggio 2005), The Design of Modern Microwave Oscillators for Wireless Applications: Theory and Optimization , New York, NY: John Wiley & Sons, ISBN 0-471-72342-8
• Vendelin, George; Pavio, Antonio M.; Rohde, Ulrich L. (maggio 2005), Progettazione di circuiti a microonde utilizzando tecniche lineari e non lineari , New York, NY: John Wiley & Sons, ISBN 0-471-41479-4

link esterno

• Oscillatore Hartley , editoria integrata