lab 2 ex 11 oscillators - ecpe.nu.ac.th 2 ex 11 oscillators.pdf · 303303 electrical engineering...

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 11 1

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา มหาวิทยาลัยนเรศวร

การทดลองที่ 11 วงจรออสซิลเลเตอร

วัตถุประสงค ศึกษาการจัดวงจรออสซิลเลเตอรแบบตางๆและศึกษาคุณสมบัติของวงจรออสซิลเลเตอร

แตละแบบ

ทฤษฏี

1.บทนํา

วงจรวงจรออสซิลเลเตอรในที่นี้หมายถึงวงจรกําเนิดสัญญาณรูปซายน ซึ่งเปนวงจรพื้นฐานสําคัญวงจรหนึ่ง

ในทางอิเล็กทรอนิกส เราจะพบวงจรวงจรออสซิลเลเตอรไดในเคร่ืองมือและระบบอิเล็กทรอนิกสกําลังดวยเชนกัน พื้นฐาน

ที่สําคัญของวงจรออสซิลเลเตอร อยูที่การจัดวงจรปอนกลับใหกับวงจรขยายดงันั้นการวิเคราะหการทํางานของวงจรวงจร

ออสซิลเลเตอรในที่นี้อยูบนพื้นฐานดังกลาว

2. หลักการวิเคราะหการทํางานของวงจรออสซิลเลเตอร

รูปที่ 1 พื้นฐานของวงจรออสซิลเลเตอร

1) คํานวณคาของ Open Loop gain: Aoโดยคิด Feedback Network เปน O/P Loading ดวย ซึ่งเหตุผลที่ไดจะอยูในรูป

Complex number

( ) { } { }0 0 0Re ImA j A j Aω = + …………………………. 1

2) คํานวณคาของ Feedback Factor ซึ่งคาของ F เปนคา Complex เชนเดียวกันกับ Ao

จาก BARKHAUSEN CRITION

หาความถ่ี Fundamental ของ Oscillation จาก 1

0 0 0

01 0Fi

A X XAA F X

= = =−

โดยระบบจะออสซิเลท เม่ือ1 F 0 หรือ F 1 0

แทนคา ( )0A jω , ( )F jω จะได

( ) { } { }0 0 0Re ImA F j A F j A Fω = + ………………………… 2

{ }{ }

010

0

Im( ) tan

ReA F

A FA F

θ −⎡ ⎤

= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

แตถาเกิด Oscillation ดังนั้น 0( ) 0, 2A F nθ π=

{ }0 0Im ( ) 0A F ω =

แกสมการก็จะได 0ω ซึ่งเปนความถ่ี Fundamental ของ Oscillation

Feedback

Network



หาคา Minimum gain : Ao(min) ที่จะทําใหแตเกิด Oscillation จาก 2.

จาก ( ) ( ){ } ( ){ }0 0 0Re ImA F j A F j A Fω ω ω= +

แตขณะที่เกิด Oscillation ( ){ }0 0Im 0A F ω =

ดังนั้น ( ) ( ){ }0 0Re 1A F A Fω ω= ≥

แกสมการหาคา Ao(min) ที่จะทําใหเกิด Oscillation ได

R3

vin=vf

-

+

R4

r2

r1

C2

C1

vo

รูปที่ 2 วงจรขยายในอุดมคติ (Idea Amplifier)

Gain 1

เม่ือมีการปอนกลับ สําหรับวงจรขยายที่ไมตามอุดมคติ (Non-Idea Amplifier) จะพบวา Rin จะขนานกับ r2

และ RO อนุกรมกับ r1 ดังนั้น

0

1 2 1 2

1R R C C

ω =

1 1

2 2

1V

R CAR C

≥ + +

โดย R1 = r1 + RO

R2 = r2// Rin

C2 = C2// Cin



Generalized Oscillator circuit (L-C)

รูปที่ 3 Generalized Oscillator circuit

Ground จะอยูที่ Node ใดก็ได (Gnd = Reference) และ O/P Node จะอยูที่ Node ใดก็ได (ที่ไมใช GND) เพื่อ

ความสะดวก และลดความยุงยากของสมการจะให Node3 เปน Reference (GND) และ Rin = ∞

รูปที่ 4 วงจรสมมูล

;

;

( ) ( )1 2

0

2 1 31 2 3 0

1 2 3

voA Z ZA FZ Z Z

Z Z Z RZ Z Z

=⎛ ⎞+

+ + +⎜ ⎟⎜ ⎟+ +⎝ ⎠

โดยการให Z1, Z2, Z3 เปน Reactive Devices Z1, Z2, Z3 จะเปน 1 2 3, ,jX jX jX ตามลําดับ

( ) ( )1 2

01 2 3 0 2 1 3

voA X XA FX X X jR X X X

−=

+ + + +



ที่ความถ่ี Oscillation 0ω

1 2 3 0X X X+ + =

โดยการทําให 1 2 3 0jX jX jX+ + = จะทําใหเกิดการ Oscillate

ในความเปนจริง วงจรขยาย ที่ใช Rin ≠ ∞ แตก็ยังสามารถใช Concept ขางตนนี้สราง Oscillation ไดวงจร LC

Oscillation ที่สําคัญมี 3 รูปแบบคือ Colprits, Hartley และClapp แตละแบบจะประกอบดวยวงจรขยายที่มีอัตราขยายสูง

ซึ่งวงจรขยายที่ใชทรานซิสเตอรหรือออปแอมป

รูปที่ 5 สมนัยระหวางวงจรขยายและทรานซิสเตอร

Generallized Transistor LC Oscllator

biβ

( )2 3

2 3L

Z Z ZZ

Z Z Z+

=+ +

11

1

// bebe

be

r ZZ Z rr Z

= =+

รูปที่ 6 Transistor LC Oscillation และวงจรสมมูล

;

( ) ( )1 2

1 2 1 3 1vo

be be be be

Z ZA Fr r Z Z r Z Z r Zβ ⎡ ⎤−

= ⎢ ⎥+ + + +⎢ ⎥⎣ ⎦



1 2

1 2 3 1 2 3( ) ( )vobe be

Z ZA Fr r Z Z Z Z Z Zβ ⎡ ⎤−

= ⎢ ⎥+ + + +⎣ ⎦

ให Z1, Z3, Z3 เปน Reactive = 1 2 3, ,jX jX jX ตามลําดับ

1 2

1 2 3 1 2 3( ) ( )vobe be

Z ZA Fr r j X X X Z Z Zβ ⎡ ⎤−

= ⎢ ⎥+ + + +⎣ ⎦

ที่ความถ่ี Oscillation Phase shift around Loop = 0 ( )0 0 0A F ω∠ = Imaginary part = 0

( )1 2 3 00Z Z Z

ω+ + =

และ 1 20

1 2 3

1( )vo

Z ZA FZ Z Z

βω

−= ≥

+

( ) 1

2

ZZ

β ω ≥

Colpits Oscillator : 2c, 1L

Z2

Z1

Z3

L1

C3

C2

รูปที่ 6 Colpits Oscillator

การใช Z2 และ Z3 เปน C จะทําใหจัดวงจรไบอัสยุงยาก และวงจรไบอัสอาจมีผลตอความถ่ีของ วงจรลักษณะ

ดังกลาวนี้จึงไมนิยมนํามาใชงาน



, 0CA CBX X > ที่ 0ω

รูปที่ 7 การจัดวงจร Colpits Oscillator ที่ใชงานจริง

ที่ 0ω

( )0 0 1

0 2 0 1 0 3

1 01 1

RFC

RFC b e b c

L LL C L C C C

ω ωω ω ω′ ′

+ − =− − +

0ω =………………………………………..

เพื่อลดความยุงยากในการจัดไบอัส นิยมใช Z2 หรือ Z3 ของ Colpits Oscillator เปน L

ถาให Z2 เปน L และ Z1, Z3 เปน C

รูปที่ 8 Colpits Oscillation ในอีกรูปแบบหนึ่ง

ตัวอยาง ถากําหนดใหใชทรานซิสเตอร 2sci815 ที่มี FT = 80 MHz Cob ≈2 pF 0β = 70 จงหาคา L ที่ทํา

ใหวงจรออสซิเลทที่ 27 MHz

วิธีทํา

จากวงจรได ICQ = 4.12 mA, b cC ′ = 2 PF, b eC ′ = 313.241 ที่ 0ω

( )00 0 3

1 1 0b e b c

LC C C

ωω ω′ ′

− − =+

( ) ( )( )

2 30

33

3

1b e b c

b e b cb e b c

b e b c

C C CC C CC C C L

LC C C

ω ′ ′

′ ′′ ′

′ ′

+ += =

+++ +

ได L ≈ 200 nH

และ ( )β ω ของ Transistor ตอง ≥ Z1/ Z2 = 1/ ωO2LCb,e = 0.5



ตัวอยาง ถากําหนดใหทรานซิสเตอร 2sc1815 ที่มี FT = 80 MHz Cob ≈ 2pF 0β = 70 หาคา ความถ่ีของการ

ออสซิเลช่ัน v1 และ v2

รูปที่ 9 Colpits Oscillation ในอีกรูปแบบหนึ่ง

ICQ = 10 mA Cbe= 769.3 pF

fo 1.009 MHz v1 ≈ 1mhz v2 = 0(GND)

Hartley Oscillator 2L,1C

Hartley Oscillator นิยมใชงานในยานความถ่ีไมเกิน HF และมักใช Z1 ,Z2 เปน L และ Z3 เปน C และมักนิยม

ใช L ในลักษณะ Tab Inductor

1 2 1 2/ /L L N N=

( )1 1 1 2/ /L L N N N= +

รูปที่ 10 Tab Inductor



รูปที่ 11 การจัดวงจรพื้นฐานของ Hartley Oscillator

ที่ความถ่ีระดับ VHF หรือสูงกวา C ในตัวทรานซิสเตอร จะเร่ิมมีผลมากไมสามารถจะละเวนได ทําใหยากตอการ

วิเคราะหหรือออกแบบ

ที่ความถ่ีไมสูง Z1 = Xcb’e// XL1

ซึ่ง Xcbe >> XL1 , Z1 ≈ XL1

ตัวอยาง วงจร Hartley Oscillator

รูปที่ 12 วงจร Hartley Oscillator ที่ใชงาน

0 2.05F ≈ Mhz

ICQ = 2.06 mA, b eC ′ ≈ 116.1 PF

1 10/ 0.02,L cb e L cb eX X X Xω′ ′= <<



ตัวอยาง วงจร Hartley Oscillator

รูปที่ 13 วงจร Hartley Oscillator ที่ใชงาน

ICQ ≈ 10 μA b eC ′ ≈ 18.4 pF โดยละตัวเก็บคาประจุในทรานซิสเตอรได

( )

( )

0 1 20

20

1 2

0

1 0

1

500

L LC

L L CF KHz

ωω

ω

+ − =

=+

≅

CLAPP. Oscillator,2C + 1Series LC

Z1, Z2 = C, Z3 Series LC

รูปที่ 14 การจัดวงจรพื้นฐานของ CLAPP Oscillator

ที่ 0 00 1 0 2 0 3

1 1 1 LC C C

ω ωω ω ω

− − − +

20

1 2 3

1 2 2 3 1 3

1C C CL

C C C C C C

ω =⎛ ⎞⎜ ⎟+ +⎝ ⎠



ขอดีของวงจรนี้คือสามารถใหกําเนิดความถ่ีถึงระดับ UHF

รูปที่ 15 ตัวอยางวงจร CLAPP Oscillator

วงจรนี้เม่ือใชทรานซิสเตอรเบอร 2SC930 ซึ่งมี FT = 300 MHz Cob ≈ 1pF 0β = 80 การไบอัสจะได ICQ= 350 μA

b eC ′ ≅ 6.1 pF คาความจุรวมในวงจร C = [[C2 อนุกรมกับ Cb’e]+Cb’c] อนุกรมกับ C3 = 2.27 pF ได F0 ≅ 258 MHz และ

1 2 2( ) / / b eZ Z C Cβ ω ′≥ ≥

อุปกรณการทดลอง

1. แหลงจายไฟกระแสตรง ออสซิลโลสโคป เคร่ืองกําเนิดสัญญาณ มัลติมิเตอร และโปรโตบอรด

2. ทรานซิสเตอร แบบNPN ออปแอมปเบอร 741 และอุปกรณ RLC

การทดลองที ่1 Positive Feedback Amplifier

เม่ือมีการปอนกลับแบบบวกใหกับวงจรขยาย จะทําใหวงจรขยายสูงขึ้นหรือสูงมากจนทําใหเกิดการออสซิลเลท

ในหัวขอนี้จะทดลองผลของการปอนกลับแบบบวกที่มีตอวงจรขยาย

1.1 ตอวงจรตามรูปที่ 16 ก. เปล่ียนคาของ RFP ตามตารางท่ี 1 ปอนสัญญาณรูปซายนอินพุทความถ่ีไมเกิน 200

Hz และวัดขนาดของสัญญาณเอาทพุท วงจรขยายในขณะน้ียังไมมีการปอนกลับแบบบวกคาของอัตราภาพขยายแรงดันที่

ไดในขอนี้จะเรียกวาคาอัตราการขยายเปดลูป A0 ของระบบที่ยังไมมีการปอนกลับ



รูปที่ 16 (ก) วงจรขยายที่ยังไมมีการปอนกลับทางบวก และ (ข) ที่มีการปอนกลับทางบวก

1.2 เปล่ียนตําแหนงของ RFP จากปลายขางที่ลงกราวดเปนนําไปตอกับเอาทพุทเพื่อใหเกิดการปอนกลับแบบบวก

ดังในรูปที่ 16 (ข) ปอนสัญญาณอินพุตความถ่ีไมเกิด 200 Hz Sinusoidal เปล่ียนคาของ RFP ตามตารางที่ 1 และวัดคา

ของเอาทพุตอัตราการขยายที่วัดไดนี้ ถือวาเปนอัตราการขยายปดลูปของระบบที่มีการปอนกลับแบบบวก AF

1.3 คํานวณ (ตามตารางท่ี 2) เปรียบเทียบกับผลการทดลอง

ตารางที่ 1 vin≤ 50 mVpp

RFP ตอ ลงกราวด (รูปที่ 16(ก)) RFP ตอ Positive Feedback (รูปที่ 16(ข))

vin RFP v0(VPP) A0=v0/vin vin vo(VPP) AF=vO/vin

∞

136K

68K

50K

Kin = RFP/( RFP+R1)

A0 = AFN.KIN

F = (R1+RS)/( RFP+R1+RS)

AF = A0/1+A0F



ตารางที่ 2 AFN = 1+RFN/R2=……………………………..

RFP KIN AO F AF AF , วัด %∆AF

∞

136K

68K

50K

การทดลองที่ 2 R-C ออสซิลเลเตอร

2.1 Lagging Phase shift oscillator ตอวงจรตามรูปที่ 17 วัดสัญญาณเอาทพุท v0 คอยๆ ปรับคา R15 จนวงจร

ออสซิเลทใหสัญญาณรูปซายนที่ดีที่สุด บันทึกรูปคล่ืน v0, v1, v2, v3 โดยใชฐานเวลารวมกัน โดยใช v0 เปนเฟสอางอิงและ

คํานวณคํานวณคาความถ่ีของการออสซิเลทดวย

รูปที่ 17 Lagging phase shift oscillator

v0=………..…..VPP fo=………………

v1=………..…..VPP, เฟสของ v1 กับ v0 =……….องศา

v2=………..…..VPP เฟสของ v2 กับ v0 =……….องศา


คาของ R1B ………….Ω R1=R1A+R1B=…………Ω

อัตราการขยายของวงจรขยาย vo/v3=…………………….



2.2 Leading Phase Shift Oscillator ตอวงจรตามรูปที่ 18 แลวทําการทดลองเชนเดียวกับขอ 2.1

รูปที่ 18 Leading phase shift oscillator

v0=………..…..VPP fo=………………

v1=………..…..VPP, เฟสของ v1 กับ v0 =……….องศา



คาของ R1B ………….Ω R1=R1A+R1B=…………Ω

2.3 Wienbridge oscillator

2.3.1 ตอวงจรตามรูปที่ 19 วัดสัญญาณเอาทพุท vo คอยๆ ปรับคา R4 จนวงจรออสซิลเลทให

สัญญาณเอาทพุทเปนรูปซายนที่ดีที่สุด วัดขนาดของ v0, v1 เฟสของ v0 กับ v1 ความถ่ีและคาของ R4

รูปที่ 19 Wienbridge oscillator

หา Av ตางๆ คํานวณโดย

Av1=อัตราการขยายของวงจรขยาย ที่วัดไดจากการทดลอง = v0/v1



Av2=อัตราการขยายของคํานวณตามทฤษฎีของ Negative Feedback = 1+(R3/R4)

Av3=อัตราการขยายของวงจรตํ่าสุดที่จะทําใหเกิดการออสซิลเลท

Av3 ≥ 1 + R1/R2+C2/C1

ตารางที่ 3

กําหนดให วัด คํานวณ

C1 C2 v0 f0 v/เฟสระหวาง

v0 , v1

R4 f0 Av1 Av2 Av3

0.01 0.01

0.01 0.05

0.05 0.01

uF uF vpp Hz vpp/องศา Hz

การทดลอง 3 L-C ออสซิเลเตอร

3.1 Colpits oscillator ในการทดลองขอนี้ LC ของทุกวงจรและไบอัสของทรานซิสเตอร เหมือนกันทุกประการ แต

กราวดของสัญญาณจะเปล่ียนตําแหนง

3.1.1 ตอวงจรตามรูปที่ 20 ก ใช C1 = 0.012 uF, C2 = 0.033 uF วัดสัญญาณเอาทพุท vD1, vD2 คอยๆ

ปรับคาของ vR 10K จนรูปรางเอาทพุทเปนรูปซายนที่ดีที่สุด วัดขนาดของเฟส vD1กับ vD2 ความถ่ีของการออสซิลเลท จาก

ความถ่ีที่วัดได คํานวณคาโดยประมาณของ L และใช VOM วัดคาศักดาดีซีที่ทรานซิสเตอร

รูปที่ 20 Colpits oscillator



ตารางที่ 4 วงจรรูปที่ 20 ก.

C1 C2 vD1 vD2 เฟสของ vD1 กับ vD2 f0 L VE VB VBE

0.012 0.033

0.033 0.012

uF uF Vpp Vpp องศา HZ uH V V V

วัดดวย VOM

3.1.2 สลับ C1 กับ C2 ทําการทดลองเชนเดียวกันกับ 3.1.1

3.1.3 เปล่ียนวงจรเปนรูป 20 ข ทําการทดลองเชนเดียวกับ 3.1.1

3.1.4 สลับ C1 กับ C2 ทําการทดลองเชนเดียวกันกับ 3.1.1

3.1.5 เปล่ียนวงจรเปนรูป 20 ค ทําการทดลองเชนเดียวกับ 3.1.1 และ 3.1.2

ตารางที่ 5 วงจรรูปที่ 20 ข


0.012 0.033

0.033 0.012



ตารางที่ 6 วงจรรูปที่ 20 ค


0.012 0.033

0.033 0.012



3.2 Hartley oscillator ในการทดลองขอนี้ L1 ใหใช L ที่ทําการทดลองในขอ 3.1 สวน Lz ใหใชอีกตัวหนึ่งที่เหลือ

3.2.1 ตอวงจรตามรูปที่ 21 ก ใช C = 0.012 uF ทําการทดลองวัดเชนเดียวกับ 3.1.1 จากความถ่ีวัดได

และคาของ L1 จากขอ 3.1 คํานวณคาโดยประมาณของ Lz

3.2.2 เปล่ียนวงจรเปนดังรูปที่ 21 ข และ 21 ค ทําการทดลองเชนเดียวกับ 2.1



150K

82K

+12V

L2

6.8K

vo2

vo1

100n

(ก)

18K

5K

+12V

500

vo2

vo1

(ข)

100nF

L2

100n

18K

5K

+12V

500

vo2

vo1

(ค)

100nF

L2

C

100nF

L1

C

100n

C

L1

L1

10K10K

10K

รูปที่ 21 Hartley oscillator

ตารางที่ 7 วงจรรูปที่ 21 c = 0.012 uF, L1 = ………………………………uH

วงจร vD1 vD2 เฟสของ vD1กับvD2 f0 L2 VB VE VBE

รูปที 21 ก

รูปที 21 ข

รูปที 21 ค

Vpp Vpp องศา HZ uH V V V


3.3 Clapp oscillator

3.3.1 ตอวงจรตามรูป 22 ก, ข, ค ทําการทดลองเชนเดียวกับขอ 3.1

รูปที่ 22 Clapp oscillator



ตารางที่ 8 วงจรรูปที่ 7 ก

C1 C2 vD1 vD2 เฟสของ vD1/vD2 f0 L2 VB VE VBE



3.3.2 สลับ C1 กับ C2 ทําการทดลองเชนเดียวกับ 3.1.1

3.3.3 เปล่ียนวงจรเปนรูป 22 ข ทําการทดลองเชนเดียวกับ 3.1.1

ตารางที่ 9 วงจรรูปที่ 22 ข




3.3.5 เปล่ียนวงจรเปนรูปที่ 22 ค ทําการทดลองเชนเดียวกับ 3.3.1 และ 3.3.2



วัดดวย VOM คําถาม

1. วิเคราะหผลการทดลองในขอ 1

2. Derive สมการที่ใชในการคํานวณหาความถ่ีของการออสซิเลท และอัตราขยายต่ําสุดของวงจรขยายที่จะทําใหเกิดการ

ออสซิลเลทของวงจรในรูปที่ 17 และ 18

3. ในการทดลองที่ 2.3 การปรับคา R4 เพื่อใหเอาทพุทเปนซายนทําไดงายหรือยากอยางไร เหตุใดจึงเปนเชนนั้น มีวิธีการที่

จะ stabilized สัญญาณเอาทพุทของสัญญาณที่เปนซายนที่ไมเพี้ยนหรือไม ถามีทําไดอยางไร

4. วงจรใสรูป 20 ก – 20 ค แตกตางกันอยางไรวิเคราะหสรุปผลการทดลอง

5. วงจรใสรูป 21 ก – 21 ค แตกตางกันอยางไรวิเคราะหสรุปผลการทดลอง



6. ดีซีไบแอสของวงจรในรูปที่ 20 และ 21 แตงตางไปจากไบแอสของ Linear Amp หรือไมจากขอมูลทานคิดวาจะมี

ประโยชนตอทานอยางไร ในการตรวจสอบวงจรออสซิลเลเตอร

7. ยกตัวอยางวงจรออสซิลเลเตอรที่นํามาใชงานจริงมา 1 วงจร อธิบายดวยวาเปนวงจรแบบใดอยูในเคร่ืองอะไร

8. เปรียบเทียบการทํางานของ LC Oscillator ทั้ง 3 แบบ

สรุปและวิเคราะหผลการทดลอง

lab 2 ex 11 oscillators - ecpe.nu.ac.th 2 ex 11 oscillators.pdf · 303303 electrical engineering...

Documents