Proč jsou LC oscilátory naprosto k ničemu !

30. ledna 2014 v 5:39 | Petr |  Elektro
Tento polemický článek navazuje na poslední vidláky, protože ale nechci do jinak spíše vzdělávacího seriálu vnášet příliš ohnivé diskuse - píšu tento blog jaksi mimo.

V dávných dobách elektroniky se svět dělil na analogový a digitánlní - digitální svět to bylo ZX spectrum jedoucí na 3,5 MHz a další počítače - když už někde byla digitální frekvence 66 MHz - tak to byla tak závratná frekvence až redaktoři časopisu BYTE kdysi v roce 1993 psali, že pro nové Pentium na 66 MHz nebudou Číňani na Taiwanu ani umět vyrobit motherboard.
Analogový svět se dělil na Audio (do 20 KHz) a VF svět (v megahertzích). S tím bylo spojeno i jasné rozdělení "tvaru" signálu tedy digitální svět měl (snahu o) pravoúhlé pulsy a analogový svět měl (snahu o) sinusovky. Tím bylo dáno, že do digitální techniky patří RC oscilátory alias multivibrátory s pravoúhlým výstupem a do analogové techniky patří LC oscilátory se sinusovkou.

Pak se stala ta věc, že analogový svět - prakticky zanikl - pokud neuvažujeme o nějakém analogovém frontendu před AD převodníkem a analogovém "backendu" za DA převodníkem - tak analogová elektronika už neexistuje místo ní jsou digitální signálové procesory, spínané mixéry ze CMOS hradel, DDS alias direct digital synthesis - místo oscilátorů - a kde je prostor pro nějaký Colpitts nebo Clapp ? Spínané mixéry do toho vnesly opravdu zásadní změnu, protože k demodulování signálu na 100 MHZ dneska potřebujete hodiny 400 MHz (čtyřnásobek kvůli generování kvadraturního signálu) ale ne 400 MHz sinus, ale 400 MHz pravoúhlého signálu !!!.

Takže s LC oscilátory je ámen, protože už tolik nejsou potřeba, ale navíc i kdyby to byl zásadní prvek, na kterém stojí elektronika LC oscilátory se nevyrovnají multivibrátorům alias RC oscilátorům. Takže dejme si vzoreček pro frekvenci LC oscilátoru, který je známý Thompsonův vzorec
A teď vzoreček pro frekvenci RC oscilátoru.
Vidíte ten rozdíl ? Nebudeme teď ulpívat na nepodsatnostech jakože v jednom vzorečku je 2*PI a ve druhém záhadný koeficient K (který se mění podle hystereze oscilátoru) co je podstatné, že ladící prvky LC oscilátoru jsou pod odmocninou a u RC oscilátoru ne. Tedy pokud byste teoreticky měli ladící kondenzátor s poměrem největší a nejmenší kapacity 1: 10 tak u RC oscilátoru to znamená přeladitelnost 1: 10 zatímco u LC oscilátoru to je jenom odmocnina z 10 tedy 1: 3,16. Proto je celý internet plný článků akademiků o "ring oscillatorech" přeladitelných od 60 MHz do 6 GHz (zcela realistický rozsah).

Navíc u RC oscilátorů si můžete vybrat jestli budete regulovat C (varikapem) nebo R (pomocí proudových zdrojů) a to podle toho kde je výhodnější poměr užitečná / mrtvá kapacita, indukčnost, nebo odpor.
To je natolik zajímavé, že si to zaslouží podrobnější rozbor - tedy bězný užitečný odpor v RC oscilátorech jsou stovky ohmů až kiloohmy zatímco parazitní odpor jsou miliohmy - tedy poměr 1: 10 000 nejméně. U indukčnosti - běžně používané indukčnosti jsou stovky nanoHenry až mikroHenry - zatímco parazitní indukčnosti jsou jednotky nanoHenry - tedy poměr 1:1000. Zatímco kapacita - u Colpittsova oscilátoru - jsme rádi když poměr parazitní a užitečná kapacita je 1:10 ale při vysokých frekvencích to častěji bývá 1:3 až 1:1. To znamená, že daleko nejlepší je regulovat odpor, méně výhodné je regulovat indukčnost (kterou ale neumíme řídit elektronicky) a zdaleka nejhorší je - jako v LC oscilátorech - řídit kapacitu.
Tento nepoměr vede tak daleko, že moderní oscilátory typu "Ring oscilátorů" z CMOS hradel vlastně ani žádné kondenzátory nemají jako "C komponenta" RC oscilátoru jim slouží jen parazitní kapacity uvnitř čipu.

To vše vede k jedinému - LC oscilátory jsou špatně přeladitelné a díky parazitním parametrům - tedy hlavně kapacitě - jsou plné "černé magie" a navíc - ó hrůzo - obsahují cívku. JEště štěstí, že dneska už skoro každý signál si CMOS spínaný mixérem "zmixujeme" na nízkou frekvenci, kde jej digitalizujeme do procesoru a se zbytkem si musí poradit software. Signál pro mixér pak generujeme pomoci DPLL - digitálního fázového závěsu, postaveném na porovnávání frekvence vysoce přeladitelného RC oscilátoru a frekvenčního normálu s krystalem....

Smůla - opět se projevuje Kubáčovské "historie elektroniky je historií boje proti cívkám". Tímto jsem LC oscilátor definitivně probral a zavrhl a zbývá už jenom pravidelná a oblítená rada pro blondýny - máte už jarní outfit s "erotickým aspektem" ? Nemáte ? Myslíte že se chlap chytí jen tak na vaše "dobré srdce" ?
 

Buď první, kdo ohodnotí tento článek.

Komentáře

1 Petr Petr | 30. ledna 2014 v 11:10

Poslední dobou se tu zas objevuje odkaz na mixéry. Pročetl jsem si předchozí díly a moc chytrý z nich nejsem. Mohl by jste se k 4066 vrátit? Děkuji předem.

2 petr-kubac petr-kubac | 30. ledna 2014 v 11:17

[1]: Nic neslibuju, ale teď stavím spínaný mixér s příbuznou 4053 - třeba bude příležitost.

3 m.marianek m.marianek | 30. ledna 2014 v 18:17

[1]: Principiálně jsou spínané mixéry vlastně fázové detektory, pokud bude spínací frekvence a vstupní frekvence stejná, dostaneme na výstupu napětí podle jejich fázového posunu. Když budou signály ve fázi, dostaneme kladné napětí, když v protifázi tak záporné a když budou posunuty o 90°, tak bude na výstupu nulové napětí. No a když budou frekvence rozdílné, tak se nám rozdíl fází bude měnit v čase a tím se bude v čase měnit i výstupní napětí. Tato změna je periodická a odpovídá rozdílu vstupní a spínací frekvence. Principiálně je to tedy velmi jednoduché.

4 petr-kubac petr-kubac | 30. ledna 2014 v 19:10

[3]: Tohle vysvětlení výrazně kulhá, protože jak to popisujete to není spínaný mixér, ale XOR hradlo.

CMOS spínače (4066) používané v mixérech jsou schopné digitálním signálem typu LOW/HIGH spínat analogové hodnoty - plynule se měnící většínou od -5 do +5V - tedy jejich funkce je stejná jako u analogových mixérů.

Nicméně i analogový mixér krmený dvěma pravoúhlými signály je schopen vykonávat funkci XOR a naopak XOR hradlo se používá jako směšovač při tzv. "jednobitovém" zpracování digitálních signálů.

5 rvx rvx | 31. ledna 2014 v 10:26

[2]: v čem je 4053 lepší oproti 4066 ?

6 petr-kubac petr-kubac | 31. ledna 2014 v 10:41

[5]: V níčem - dokonce pokud se VF parametrů týče je trošku horší, ale 4066 je 4x spínač v jednom pouzdře, zatímco 4053 je 3x přepínač v jednom pouzdře - takže pro dvojitě vyvážený směšovač užetřím invertor hodinového signálu, který bych u 4066 potřeboval a navíc u 4066 musím přepínací funkci dělat ze 2 spínačů - takže na stejný mixér (dvojítý - dvojitě vyvážený) potřebuju buď 4x4066 a 1x74HC06 nebo 2x 4053 - žádná magie v tom není.

7 m.marianek m.marianek | 31. ledna 2014 v 14:34

[4]: Pane Kubáči, vy snad máte pocit, že fázový detektor je doména jen digitální techniky? To co vy nazýváte mixerem je ve skutečnosti analogový fázový detektor a přesně takové se používají v RLC měřičích pro rozdělení reálné a imaginární složky napěťového a proudového kanálu. Také se přesně takové používají v softwarových rádiích na konverzi signálu. Moje vysvětlení nejen že nekulhá, ale je naprosto přesné, protože tak to ve skutečnosti funguje. Kdyby to mělo být XOR hradlo, tak by to jaksi nemohlo pracovat s analogovým signálem a to klidně i s velmi slabým (řádově mikrovolty). Sám jste tyto "mixery" použil v zapojení, které jste nazval lock-in zesilovač a skutečně lock-in zesilovače toto zapojení používají a pomocí něho měří kupodivu fázi signálu a proto to asi opravdu ten fázový detektor bude i když jej nazýváte mixer (no, my zas máme mixer v kuchyni ;-D). Já osobně bych raději rozlišoval mezi směšovači (mixery) tohoto typu a mezi klasickými analogovými směšovači u kterých dochází ke směšování na nelineární charakteristice součástky (nejčastěji blízké kvadratickému průběhu). I když dávají podobné výsledky, přeci jen se jejich činnost liší.

8 petr-kubac petr-kubac | 31. ledna 2014 v 16:46

[7]: Když v česku řeknete směšování tak nikdy nevíte jestli se myslí mixpult na diskotéce, který se signály matematicky realizuje operaci A+B, nebo jestli se jedná o to čemu se říká "mixing" v anglické literaruře což je matematicky vzato násobení signálů A*B.

U spínaných mixérů máme tu z nouze cntnost, že jeden z těcto signálů nabývá pouze hodnot 0 a 1 případně +1 a -1 u vyváženého mixéru.

U Vašich "opravdových směšovačů" které mixují "na koleně " charakteristiky nějaké součástky máme matematicky vzato rovnici (A+B)^2 = A^2 + 2A*B + B^2. "Z nouze ctnost" "opravdového mixéru" spočívá v tom, že "produkt" je jenom člen 2A*B a A^2 i B^2 jsou "odpad", který se musí odfiltrovat pryč.

V otázce frekvence a fáze jsou "opravdové" i "neopravdové" mixéry zcela stejné - klidně se ze 74HC4066 dá postavit mixér který z mezifrekvence 10.7 MHZ bude pomocí hodin 10.245 MHz mixovat na mezifrekvenci 455 KHz a piště si, že bude v každém ohledu lepší než cokoliv se dá vyrobit z čistě analogových součástek.

9 Vašek Vašek | 31. ledna 2014 v 19:08

[8]:Možná se pletu ale v anglické literatuře je "mixing" uplně stejně mlhavý pojem jako v češtině a zahrnuje mixpulty stejně jako směšovače. Možná ,že čeština je na tom s termínem směšovač dokonce lépe.

10 m.marianek m.marianek | 31. ledna 2014 v 21:45

[8]:Že jsou na tom v otázce frekvence a fáze "opravdové" a "neopravdové" mixery stejně, v tom se s vámi nepřu, dá se v podstatě říct, že každý směšovač je zároveň i fázový detektor, při směšování stejných frekvencí vzniká stejnosměrná složka na každém směšovači. Otázka je čemu všemu se dá říkat směšování, jako kuriozitku můžu uvést příklad "směšování" v jednom rubidiovém frekvenčním normálu, kde SRD dioda vyrábí 96tou harmonickou vstupního signálu a ještě jej zároveň směšuje se signálem v jednotkách MHz, z hlavy si přesně ty frekvence nepamatuju, ale případnému zájemci mohu během příštího týdne tu syntézu přesně popsat z dokumentace. Navíc byl ještě tento signál frekvenčně modulován modulační frekvencí 73Hz.

11 vidlák Bass vidlák Bass | 17. dubna 2014 v 11:45

Já bych se komentáři vážně nezabýval, protože český amatéři vždycky byli naprostý hovada neschopný dialogu. Mixer jako mixer, cmos fet je polovodič. Kdo chodí každý den srát s amárem, neví jak funguje FET.

12 Danek Danek | 7. července 2014 v 14:10

Děkuji autorovi za stránky. Vzhled není to pravé ořechové, ale to podstatné, články jsou prvotřídně napsané. Ještě jednou, díky :)

Komentáře jsou uzavřeny.


Aktuální články

Reklama