Oszillatorschaltung

Eine Oszillatorschaltung, auch kurz Oszillator genannt, ist eine elektronische Schaltung zur Erzeugung einer periodischen Wechselspannung. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, eine solche Schaltung aufzubauen, zum Beispiel:

• astabiler Multivibrator und Kippschwinger mit R-C-Komponenten, vorwiegend für Niederfrequenz mit geringen Ansprüchen an Genauigkeit und Stabilität.
• Oszillatoren mit L-C-Schwingkreis und einer Verstärkerstufe, meist für Hochfrequenz (für Niederfrequenz auch verwendbar, aber wegen übergroßer LC-Werte eher ungeeignet).
• Phasenschieber-Oszillatoren mit RC-Gliedern, die Sinusschwingungen erzeugen. Hierzu gehören auch die Wien-Brücken-Oszillatoren^[1]
• Ringoszillatoren, aufgebaut aus digitalen Invertern und den damit eng verwandten Kippschwingern.
• Quarzoszillatoren mit Schwingquarzen; hohe Genauigkeit und Stabilität, die durch atomare Mikrowellenresonatoren, sogenannte Atomuhren, weiter gesteigert werden kann.
• Es gibt auch physikalische Effekte, bei denen elektrische Impulse durch Bauelemente wie Gunndioden erzeugt werden, deren Kennlinie Bereiche mit negativem differentiellen Widerstand aufweisen. Damit lassen sich extrem einfach Schwingungen erzeugen.

Integrierter Quarzoszillator

Schwingungsbedingung

Verstärker können mit einer geeigneten Rückkopplung zu einem Oszillator werden.^{[Anm. 1]} Die Schwingungsbedingungen bzw. das Stabilitätskriterium beziehen sich auf einen linearen Verstärker und haben eine Bedeutung für die Stabilität der Frequenz.

Die Schwingungsbedingungen wurden zunächst im Stabilitätskriterium von Barkhausen formuliert und später im Stabilitätskriterium von Nyquist erweitert und führen zu einer dauerhaften Schwingung an einem linearen rückgekoppelten Verstärker mit einer bestimmten Frequenz. Das Stabilitätskriterium von Barkhausen lautet anschaulich:

1. Die Schleifenverstärkung muss für eine stabile Oszillation genau 1 sein.^[2]
2. Die Phasenverschiebung der Rückkopplungsschleife muss bei dieser Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches von 360° betragen.

In dem theoretischen Modell würde eine Schleifenverstärkung, die den Wert 1 auch nur geringfügig übersteigt, zu einem unendlichen Anwachsen der Schwingung führen. In der Realität ist die Schwingungsweite beschränkt (die dem Verstärker von der Stromversorgung zugeführte Leistung ist endlich). Andererseits muss der Wert 1 überschritten werden, damit der Oszillator eigenständig („von allein“) anschwingt. Dieser Widerspruch führt zu Untersuchungen über das Anschwingverhalten und über das Abreißen der Schwingungen und wird durch entsprechende Kennlinien dargestellt. Man spricht auch von einem harten bzw. weichen Schwingungseinsatz. Den physikalischen Hintergrund bilden im Wesentlichen zwei Erscheinungen:

1. Die Verstärkung hängt vom Arbeitspunkt ab und kann sich mit zunehmender Aussteuerung des Verstärkers vergrößern (harter Schwingungseinsatz) oder verkleinern (weicher Schwingungseinsatz).^{[Anm. 2]}
2. Bei großer Aussteuerung wird das verstärkte Signal (die Schwingung) begrenzt.

Obwohl primär für Sinusschwingungen gebraucht, gilt das Kriterium entsprechend auch für andere Signalformen.

Ein verlustbehafteter Schwingkreis kann durch ein Bauelement mit negativem differentiellen Widerstand, beispielsweise einer Tunneldiode, entdämpft werden und erzeugt dann Wechselspannung. Bedingung ist, dass der Gesamtwiderstand Null ist. Die Energie wird von einer Batterie geliefert.

Bei anderen Oszillatortopologien, welche beispielsweise auf der negativen Kennlinie wie der Relaxationsoszillator (s. u.) basieren, hat das Stabilitätskriterium keinen unmittelbaren Bezug.

Qualität

Die Qualität eines Oszillators wird generell nach der Stabilität von Amplitude, Frequenz und Phase beurteilt. Sind die Schwankungen nur statistisch beschreibbar, werden sie als Rauschen bezeichnet. Als eigenständiger Begriff ist hier nur das Phasenrauschen (bzw. Jitter) üblich. Wichtig ist auch die Stabliltät gegenüber Schwankungen der Temperatur oder Versorgungsspannung.

Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Genauigkeit, mit der die gewünschte Kurvenform erzeugt wird. Bei Sinusoszillatoren kann dies recht einfach durch die Intensität von Oberwellen beschrieben werden.

Ist eine Veränderung von Amplitude, Frequenz oder Phase beabsichtigt, wird sie als Modulation bezeichnet.

Kategorisierung

Nach Schwingungsformen

• Eine Sinusschwingung wird von Oszillatoren mit LC-Schwingkreisen, aber auch von phasenschiebenden Oszillatoren mit RC-Gliedern erzeugt. Auch Laufzeitoszillatoren (s. u.) im Hochfrequenzbereich generieren meistens Sinusschwingungen.
• Eine Rechteckschwingung wird von Multivibratoren und anderen ‚digitalen‘ Generatoren erzeugt.
• Eine Sägezahnschwingung wird von einem Sägezahn-Generator oder einem Sperrschwinger erzeugt.
• Zur Erzeugung fast beliebiger Schwingungsformen verwendet man Funktionsgeneratoren.

Nach dem frequenzbestimmenden Mechanismus

Resonanzoszillatoren

Bei Resonanzoszillatoren ist ein schwingungsfähiges Gebilde (z. B. Schwingkreis oder Schwingquarz) frequenzbestimmend. Vorwiegend dessen Stabilität entscheidet über die Stabilität der Ausgangsfrequenz. Beispiele: Quarzoszillatoren, solche mit einem L-C-Schwingkreis.

Relaxationsoszillatoren

Bei Relaxationsoszillatoren wird die Frequenz typischerweise durch Entladungsvorgänge eines Kondensators in einem RC-Glied bestimmt, allgemeiner durch Schalten bei Erreichen eines bestimmten Werts bei steter Veränderung eines Spannungspegels. Die bekanntesten Schaltungen sind Multivibrator und Kippschwinger. Wenn ein Kondensator bis zu einem bestimmten Grad aufgeladen bzw. entladen ist, kippt die Stufe in ihren anderen Zustand. Es geht also meistens um Oszillatoren für Rechteck- oder Dreieckschwingungen. Dagegen liefert der Sperrschwinger mit ähnlichem Funktionsprinzip (allerdings unter zusätzlicher Beteiligung einer Induktivität) eine sägezahnförmige Ausgangsspannung, wie sie z. B. früher in elektronischen Orgeln wegen des kompletten Obertonspektrums verwendet wurde. Neben einem RC-Glied ist auch noch die Schwellenspannung der beteiligten Kippstufe von Einfluss auf die Stabilität. Beides ist typischerweise wesentlich weniger stabil als beim Resonanzoszillator, weshalb hier größerer Aufwand nötig wird, wenn hohe Stabilität gebraucht wird.

Laufzeitoszillatoren

Bei Laufzeitoszillatoren ist die Laufzeit in bestimmten Schaltungsteilen bestimmend für die Schwingungsdauer und damit für die Frequenz. Als Beispiel dient hier der Ringoszillator mit seiner Inverter-Kette, deren Laufzeit die erzeugte Frequenz bestimmt. Aber auch Hardware-Oszillatoren wie das Magnetron und das Reflexklystron zählen zu dieser Kategorie. Andererseits gibt es einen Überlappungsbereich zu den Relaxationsoszillatoren, weil die dort zeitbestimmenden RC-Glieder auch als Laufzeitglieder angesehen werden können. Entsprechend ist die Frequenzstabilität im Vergleich eher mittelmäßig, mit Ausnahme der aufgeführten Hardware-Oszillatoren, wo sie typischerweise sehr hoch ist.

Moderne Oszillatorschaltungen

Moderne Oszillatoren vermeiden die Nachteile der vor etwa 100 Jahren erfundenen klassischen Oszillatorschaltungen (wie Meißner-Schaltung, Hartley-Schaltung, Colpitts-Schaltung), die bei ungünstiger Dimensionierung der Bauelemente unerwünschte parasitäre Schwingungen auf einigen Giga-Hertz erzeugen können, zu tieffrequenten Kippschwingungen neigen, oder eine merklich von der Sinusform abweichende Schwingungsform besitzen.

Eine mögliche Schaltung verwendet einen Differenzverstärker mit zwei Transistoren und zeichnet sich durch sehr gutmütiges Verhalten aus (siehe Differenzverstärker-Oszillator). In den untenstehenden Bildern ist eine Variante mit NPN-Transistoren dargestellt, mit der sich – abhängig von den Daten des Schwingkreises – ohne Änderung anderer Bauelemente Frequenzen im Bereich 0,05 MHz bis 40 MHz erzeugen lassen. Bei der anderen Schaltung wurden PNP-Transistoren verwendet und die Werte der Bauelemente für Frequenzen im Bereich 1 Hz bis 500 kHz dimensioniert. Bei dieser Schaltung ist der Schwingkreis auf Null-Potential, was für manche Anwendungen vorteilhaft ist (im Regelfall ist der Minuspol Bezugspunkt für alle Messungen).

Der Ausgang ist oben

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Siehe auch

• Oszillation, Dreipunktschaltung, Millereffekt-Oszillator
• Signalgenerator, Synthesizer
• Low Frequency Oscillator (LFO), Voltage Controlled Oscillator (VCO)
• Schwebungssummer
• Variable Frequency Oscillator (VFO), Voltage Controlled Crystal (="Xtal") Oscillator (VCXO)
• Wobbelgenerator
• Phase-locked loop (PLL)
• Überlagerungsempfänger (als Anwendungsfall)

Weblinks

 Commons: Elektronische Oszillatoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Oszillatorschaltungen mit Erklärung

Literatur

• U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. Springer, Berlin 2002, ISBN 978-3-540-64192-6.

Quellen

1. ↑ Wien-Brücken-Oszillator
2. ↑ Barkhausen Stability Criterion, Kent H. Lundberg, 14. November 2002, engl.

Anmerkungen

1. ↑ Die Schwierigkeit liegt hier in dem Wort „geeignet“. Mit deutlicher Übertreibung formulierten Praktiker: „Ein Oszillator schwingt nie, ein Verstärker immer.“
2. ↑ Nichtlineare Eigenschaften des Verstärkers können dazu führen, dass sich an einem Kondensator eine Spannung aufbaut, die den Arbeitspunkt so weit verschiebt, dass die Schwingungen abbrechen. In so einem Fall können (sinusförmige) Schwingungen entstehen, die mit Kippschwingungen (Relaxationsschwingungen) moduliert sind. Das einfache lineare Modell genügt deshalb in der Praxis nicht, um einen Oszillator hinreichend zu beschreiben.