Hartleyův oscilátor

Původní schéma uvedené v patentu

Hartleyův oscilátor vynalezl Ralph Hartley při práci pro Research Laboratory firmy Western Electric Company. Hartley vynalezl a patentoval návrh v roce 1915, když kontroloval transatlantické radiotelefonní testy prováděné firmou Bell System; patent číslo 1,356,763 mu byl udělen 26. října 1920.[1] Níže uvedené principiální schéma s popiskou „Hartleyův oscilátor se společnou elektrodou drain“ je v zásadě stejné jako v nákresu uvedeném v patentu, s tím rozdílem, že elektronka je nahrazena JFET a baterie pro záporné předpětí mřížky není potřeba.

V roce 1946 Hartley byl vyznamenán medailí IRE „Za své rané dílo o používání vakuových triod v oscilačních obvodech a podobně pro jeho rané rozpoznání a jasné vysvětlení základních vztahů mezi celkovým množstvím informace, která může být přenášena přenosovým systémem s omezenou šířkou pásma a požadovaného času.“[2] (Druhá polovina citace se vztahuje na Hartleyovo dílo z teorie informace, které je z větší části obdobou práce Harryho Nyquista.)

Hartleyův oscilátor s unipolárním tranzistorem se společnou elektrodou drain

Hartleyův oscilátor obsahuje rezonanční obvod složený ze dvou sériově zapojených cívek (nebo z cívky s odbočkou) paralelně s kondenzátorem, se zesilovačem mezi relativně vysokou impedancí celého LC rezonančního obvodu a relativně nízkým napětím vysokým proudem bod mezi cívkami. Původní oscilátor z roku 1915 používal jako zesilovací prvek vakuovou triodu v zapojení se společnou anodou (katodový sledovač) se třemi bateriemi a zvláštní nastavitelnou cívkou. Zjednodušený obvod zobrazený vpravo používá JFET (v zapojení se společnou elektrodou D), rezonanční obvod LC (v tomto případě je použita jedna cívka s odbočkou) a jedno napájení. Obvod znázorňuje činnost Hartleyova oscilátoru:

• výstup z elektrody source polem řízeného tranzistoru (nebo emitoru bipolárního tranzistoru; příp. katody u triody) má stejnou fázi jako signál na jeho hradle (nebo bázi) a zhruba stejné napětí jako jeho vstup (což je napětí na celém rezonančním obvodu), ale proud je zesílený, tj. působí jako proudový buffer nebo napětím řízený zdroj napětí (VCVS).
• tento výstup s nízkou impedancí je pak přiveden na odbočku cívky, která funguje jako autotransformátor zvyšující napětí, které vyžadují relativně velký proud (v porovnání s proudem tekoucím horní částí cívky).
• při rezonanci spojení kondenzátoru s cívkou budou všechny frekvence odlišné od rezonanční frekvence absorbovány (rezonanční obvod má odpor blízký 0 Ω pro nízké frekvence kvůli nízké reaktanci cívky při nízkých frekvencích i nízký odpor při velmi vysokých frekvencích kvůli kondenzátoru); bude také potřebný posun fáze zpětné vazby z 0° pro oscilace na libovolné frekvenci kromě rezonanční.

Úpravy základního obvodu často zahrnují automatické omezení zisku zesilovače pro udržování konstantního výstupního napětí na nižší úrovni než přetížení; jednoduchý obvod uvedený výše bude omezovat výstupní napětí kvůli tomu, že hradlo je vodivé pro kladné špičky, efektivně tlumicí oscilace ale ne před významný zkreslení (nepravé harmonické) se mohou objevit. Záměna cívky s odbočkou za dvě samostatné cívky, jak je popsané v původním schématu patentu, nenaruší činnost oscilátoru, ale protože tyto dvě cívky nejsou indukčně spojeny, induktance a tedy i frekvence, oscilátoru se změní (viz níže); v tomto případě je vysvětlení mechanismu, kterým se zvyšuje napětí, složitější než při použití autotransformátoru.

Odlišné zapojení s cívkou s odbočkou v rezonančním obvodu LC zpětná vazba rozložení využívá zapojení se společnou mřížkou (společným hradlem nebo společnou bází) zesilovacího prvku,[3] který je stále neinvertující ale poskytuje napěťový zisk místo proudového zisku; odbočka cívky je stále připojena ke katodě (nebo source nebo emitor), ale toto je nyní vstup zesilovače (s nízkou impedancí); rozdělený rezonanční obvod nyní snižuje impedanci z relativně vysoké výstupní impedance anody (nebo drainu nebo kolektoru).

Porovnání Hartleyova a Colpittsova oscilátoru

Hartleyův oscilátor je duální k Colpittsově oscilátoru, který používá dělič napětí tvořený dvěma kondenzátory místo dvou cívek. U Hartleyova oscilátoru není vzájemná vazba mezi oběma částmi cívky podmínkou, obvod je však obvykle implementován pomocí cívky s odbočkou, se zpětnou vazbou převzaté z odbočky, jak je uvedené zde. Optimální místo odbočky (nebo poměr indukčností cívek) závisí na použitém zesilovacím prvku, kterým může být bipolární tranzistor, FET, vakuová trioda nebo zesilovač téměř jakéhokoli typu (v tomto případě neinvertující, i když existují i varianty obvodu s uzemněným středem a zpětnou vazbou z invertujícího zesilovače nebo z kolektoru resp. drainu tranzistoru jsou také obvyklé), ale přechod FET (uvedené) nebo trioda je často používaná jako dobrý stupeň amplitudové stability (a tedy omezení zkreslení) lze dosáhnout s jednoduchý mřížka leak rezistor-kondenzátor kombinace sériové zapojení s hradlo nebo mřížka (viz Scottův obvod níže) díky diodě, která vede špičky signálu pro vytvoření dostatečného záporného přepětí pro omezení zesílení.

Ideové schéma Hartleyova oscilátoru s operačním zesilovačem

Frekvence oscilací je přibližně rovna rezonanční frekvenci rezonančního obvodu. Pokud kapacita kondenzátoru v rezonančním obvodu je C a celková indukčnost cívky s odbočkou je L, pak

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

Pokud se používají dvě nespojené cívky s indukčnostmi L₁ a L₂, pak

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

Pokud však dvě cívky jsou magneticky spojeny, celková indukčnost bude větší kvůli vzájemné indukčnosti k[4]

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

Skutečná frekvence oscilací bude nepatrně menší, než je uvedeno výše, kvůli parazitní kapacitě cívky a zatížení tranzistorem.

Výhody Hartleyova oscilátoru:

• Frekvenci lze měnit jedním proměnným kondenzátorem, jehož jedna elektroda může být uzemněna
• Výstupní amplituda zůstává konstantní v celém rozsahu přeladění
• Lze použít jak cívku s odbočkou tak dvě samostatné cívky a velmi málo dalších součástek
• Nahrazením kondenzátoru s (paralelní rezonancí) nebo celé horní poloviny rezonančního obvodu krystalem a mřížkovým rezistorem (jako v Tri-tet oscilátoru) lze obvod použít jako snadno reprodukovatelný přesný krystalový oscilátor s pevnou frekvencí

Nevýhody:

• Výstup bohatý na vyšší harmonické, pokud se signál odebírá ze zesilovače a ne přímo z LC obvodu (pokud není použito žádné obvodové řešení pro stabilizaci amplitudy).