하틀리 발진기: 일정한 진폭을 위한 신뢰성 있고 조정 가능한 솔루션

전자 발진기는 DC 전력을 AC 신호로 변환하는 전자 회로입니다. 주파수 선택 필터의 종류에 따라 RC 발진기 또는 LC 발진기로 분류할 수 있습니다.

라디오 수신기나 RF 발진기로 가장 흔히 찾아볼 수 있는 발진기 중 하나가 하틀리 발진기입니다. 암스트롱 발진기에서 발전한 형태로 조정하기 쉽습니다. 오늘은 그 동작, 구성 등을 자세히 알아보겠습니다.

전자 발진기

하틀리 발진기란?

1915년 랄프 하틀리가 발명한 하틀리 발진기는 조파 발진기의 일종입니다. LC 발진기(인덕터와 커패시터로 구성된 회로)가 발진 주파수를 결정합니다. 라디오 주파수 대역에서 파형을 생성하도록 조정할 수 있어 RF 발진기로도 불립니다. 사인파 신호의 RF 범위는 30kHz~30MHz입니다.

단순 하틀리 발진기

이 발진기를 구분하는 특징은 하나의 커패시터가 두 개의 탭이 있는 단일 인덕터와 병렬 연결된 튠드 회로를 가진다는 점입니다. 또한 발진에 필요한 피드백 신호를 인덕터의 중심 연결점에서 가져옵니다.

하틀리 발진기의 작동 원리와 회로도

하틀리 발진기는 회로도에 표시된 여러 부품으로 구성되며 각각 다른 기능을 합니다.

하틀리 발진기 회로도

R1, R2, RE는 필요한 회로 바이어싱을 제공하고 C2, C1은 커플링 커패시터 역할을 합니다.

무선 주파수 초크 코일(RFC)은 회로의 DC와 AC 조건을 별도로 유지합니다. DC 조건에서는 리액턴스가 거의 0이므로 DC 커패시터에 방해를 주지 않습니다. 또한 고주파 응용에서 RFC의 리액턴스는 크므로 개방 회로로 간주할 수 있습니다.

회로에는 180° 위상 변이를 제공하는 트랜지스터 앰프가 있습니다. L1, L2, C는 탱크 회로의 구성 요소로 발진 주파수를 생성합니다.

작동 원리는 다음과 같습니다:

• 회로에 DC 공급 전압(VCC)을 인가하면 트랜지스터의 컬렉터 전류가 증가합니다. 이로 인해 탱크 회로의 커패시터 충전이 시작됩니다.
• 완전 충전 후 커패시터는 L2와 L1 인덕터를 통해 방전을 시작합니다.
• 커패시터가 방전되면서 인덕터가 충전되기 시작합니다.

(인덕터 코일)

참고:

커패시터는 전기장에 전하를 저장하고, 인덕터는 자기장 형태로 저장합니다. 따라서 커패시터가 완전히 방전되면 인덕터가 자동으로 충전을 시작하고 그 반대도 마찬가지입니다.

• 지속적인 충방전으로 출력에 사인파 발진이 발생합니다. 진폭도 점차 감소하므로 출력 신호에는 주로 감쇠 발진이 나타납니다. 진폭 감소는 인덕터 내부 저항으로 인한 열 손실(I²R) 때문입니다.
• 탱크 회로는 B점과 A점 사이에 180° 위상 변이를 제공합니다. C점은 접지되어 있습니다. 따라서 B가 음이면 A는 양이 됩니다.
• 발진을 오래 유지하려면 감쇠 사인파 발진을 증폭해야 합니다. 따라서 탱크 회로의 출력을 공통 이미터 구성의 트랜지스터 입력으로 제공합니다. 거기서 트랜지스터가 사인파 신호를 증폭합니다.
• 인덕터 L1과 L2 사이의 상호 인덕턴스가 피드백 신호/에너지를 받습니다.
• 증폭된 출력을 가진 트랜지스터로부터 충전 에너지를 받은 탱크 회로의 커패시터가 다시 사인파 발진을 생성합니다.
• 다른 의미로 증폭된 출력이 탱크 회로에서 발생한 열 손실을 보상합니다. 따라서 탱크 회로는 진폭 감소 대신 작동 주파수 범위에서 일정한 출력 진폭을 보장합니다.

하틀리 발진기의 발진 주파수

탱크 회로가 생성하는 발진 주파수는 일반 병렬 공진 회로와 유사하게 계산할 수 있습니다. 공식은 다음과 같습니다:

C는 탱크 회로의 C1 커패시턴스입니다.

하틀리 발진기에서는 탱크 회로에 두 개의 인덕터를 사용합니다. 따라서 등가 인덕턴스는:

L_eq = L₁+ L₂

등가 인덕턴스를 구할 때 코일 간 상호 인덕턴스도 고려해야 합니다:

L_eq = L₁+ L₂+ 2M

최종적으로 발진 주파수는 다음과 같습니다:

하틀리 발진기의 다양한 구성

션트 급전 하틀리 발진기

션트 급전 하틀리 발진기는 공통 이미터 구성을 사용합니다.

션트 급전 하틀리 발진기

단일 공급 전압 사용 시 전압 분배 저항 R_B와 R1이 고정 바이어스를 공급합니다.

C1은 온도 안정화를 위한 이미터 스왐핑 저항 R_E를 바이패스합니다.

인덕터 L3가 컬렉터를 션트 급전하고 C3는 커플링 커패시터이자 DC 차단 역할을 합니다. 차단과 커플링으로 컬렉터 단락을 방지합니다.

마찬가지로 C2는 베이스 차단 커플링 커패시터로 베이스와 접지 간 단락이 없도록 합니다.

션트 급전 하틀리 발진기 동작

션트 급전 회로가 에너지를 받으면 R1과 R_B가 초기 바이어스를 결정합니다. 동시에 컬렉터에서 베이스 L2와 L1을 통해 피드백이 얻어지며 발진이 형성됩니다.

참고:

이미터에서 L2와 C2를 거쳐 베이스로 AC 경로가 존재합니다. 이 경로는 L1과 C3를 거쳐 컬렉터로 가는 경로와 유사합니다.

발진 중 올바른 C1 값으로 RE에 퇴화 바이어스가 형성됩니다.

션트 급전 소자 값이 다음을 결정합니다:

1. R_B와 R1 값은 쉬운 시작을 위한 클래스 C 바이어스를 제공합니다.
2. C1과 RE 값은 온도 안정화를 위함입니다.
3. 클래스 C 또는 B 바이어스 값은 필요한 동작 효율을 결정합니다.

출력은 최종적으로 탱크 회로의 인덕터나 컬렉터의 커패시터에서 나옵니다.

직렬 급전 하틀리 발진기

두 번째 구성인 직렬 급전 하틀리 발진기에서도 베이스 회로는 이미터 안정화와 전압 분배 바이어스입니다. 컬렉터 전압이 탱크 인덕터 탭을 통해 인가되며 C3가 신호용 전압 소스를 션트합니다. 동작은 션트 급전 회로와 유사합니다.

차이점은 DC가 탱크 회로의 일부를 흐른다는 점입니다. 여기서 Q 팩터와 발진기 주파수 안정성이 션트 급전 회로보다 낮아집니다.

직렬 급전 하틀리 발진기 회로도

오퍼레이셔널 앰프를 사용한 하틀리 발진기

오퍼레이셔널 앰프의 주요 장점 중 하나는 입력 저항과 피드백 저항을 사용하여 발진기의 이득을 개별적으로 조정할 수 있다는 것입니다. 오퍼레이셔널 앰프의 구성은 반전 모드입니다. 따라서 이득은 다음 공식으로 표현할 수 있습니다:

A = -Rf/R1

여기서:

-Rf = 피드백 저항

R1 = 입력 저항

A = 이득

오퍼레이셔널 앰프를 사용한 하틀리 발진기

트랜지스터 버전에서는 이득이 L2와 L1 비율보다 약간 크거나 같습니다. 오퍼레이셔널 앰프 회로 버전에서는 탱크 회로 소자에 최소한으로 의존하므로 주파수 안정성이 향상됩니다. 하지만 트랜지스터 버전과 오퍼레이셔널 앰프 버전 모두 유사한 주파수 공식과 작동 원리를 가집니다.

하틀리 발진기의 장단점

하틀리 발진기의 장점은 다음과 같습니다:

• 첫째, 큰 트랜스포머 대신 단일 코일을 오토트랜스포머로 사용할 수 있습니다.
• 둘째, 두 개의 고정 인덕터나 탭이 있는 코일 등 몇 가지 부품만 필요합니다.
• 셋째, 커패시터를 쿼츠 크리스탈로 교체하면 고정 주파수 크리스탈 발진기의 변형을 생성할 수 있습니다.

쿼츠 크리스탈

• 필요한 고정 주파수 범위에서 출력 진폭을 유지할 수 있습니다.
• 마지막으로 가변 인덕터나 단일 가변 커패시터로 주파수를 변경할 수 있습니다.

단점은 다음과 같습니다:

• 불행히도 하틀리 발진기를 저주파 발진에 사용할 수 없습니다.
• 고조파 왜곡이 있어 순수한 사인파가 필요한 응용 분야에는 적합하지 않습니다. 다행히 진폭 안정화 회로를 추가하여 왜곡을 제거할 수 있습니다.

결론

요약하자면 하틀리 발진기는 원하는 주파수의 사인파 생성 등 다양한 응용 분야가 있습니다. 또한 FET 앰프 기반, 직렬/션트 급전 등 많은 구성을 가집니다.

하틀리 발진기에 대한 더 많은 지식이 필요하면 언제든 연락 주세요. 저희가 도와드리겠습니다.