Osilatör yapmak zordur

• Osilatör devresi tasarımının temel ilkelerini ve gerçek uygulamadaki zorlukları adım adım açıklar
• Tek bir MOSFET devresinin kararlı nokta nedeniyle neden salınım üretmediğini analiz eder ve bunu çözmek için Schmitt tetikleyici yapısı sunar
• Schmitt tetikleyici tabanlı bir gevşeme osilatörü kurarak yaklaşık 3 kHz kararlı frekans elde eder
• Ardından işlemsel yükselteç (op-amp) kullanan basit bir osilatör devresini tanıtır ve kuramsal hesaplarla gerçek ölçüm değerleri arasındaki farkı karşılaştırır
• Son olarak faz kaydırmalı (phase-shift) osilatör üzerinden RC filtrenin faz değişimiyle sinüs dalgası üretim ilkesini açıklar ve analog devre tasarımında hassasiyet ile deneysel doğrulamanın önemini vurgular

---

Osilatörün temel kavramı ve zorlukları

• Osilatörün temel koşulu sinyal kazancının (gain) varlığıdır; kazanç yoksa titreşim sönümlenir
• Yükselteç devreleri bazen tesadüfen salınıma girebilir, ancak kararlı bir analog osilatörü doğrudan tasarlamanın zor olduğu belirtilir
• İnternette sık görülen osilatör devreleri çoğu zaman kararsızdır veya özel bileşenler (orta uçlu endüktör, akkor lamba vb.) gerektirir
• Amaç, anlaşılması kolay ve frekansı öngörülebilir bir osilatörü dış referans olmadan doğrudan kurmaktır

Tek MOSFET ile salınım denemesinin sınırları

• n-kanal MOSFET, bir anahtar gibi kullanılarak salınım denenir; ancak pratikte kararlı bir denge noktası bulunduğundan titreşim durur
• Örnek olarak BS170 transistörünün Vgs–Id eğrisi verilir; yaklaşık 2 V civarında 300 µA akımın aktığı kararlı bir durum oluşur
• Bu durum, “anahtarın yarı açık olduğu” bir hâle benzer ve salınımın sürmesini engeller

Schmitt tetikleyici ile kararlı anahtarlama

• Ara kararlı noktası olmayan bir elektronik anahtar olarak Schmitt tetikleyici devresi sunulur
• Giriş 0 V iken sağdaki transistör iletime geçer; giriş yaklaşık 2.6 V'u aşınca soldaki transistör açılır ve sağdaki kapanır
• Bu süreçte pozitif geri besleme oluşur ve devre ara durumda kalmaz
• Giriş geriliminin 2.6 V'ta açılıp 2.2 V'ta kapanmasıyla 400 mV histerezis oluşur

Schmitt tetikleyici tabanlı gevşeme osilatörü

• Schmitt tetikleyici çıkışı girişe geri beslenir ve salınım frekansını kontrol etmek için direnç–kondansatör (RC) gecikmesi eklenir
• 5 V beslemede yaklaşık 3 kHz salınım frekansı gözlenir
• Kondansatör gerilimi 2.2 V ile 2.6 V arasında salınır; şarj ve deşarj süreleri sırasıyla 154 µs ve 167 µs olarak hesaplanır
• Devre daha da basitleştirilebilir, ancak daha az bileşenle bunu yapmak için işlemsel yükselteç (op-amp) kullanmak daha verimlidir

İşlemsel yükselteçli gevşeme osilatörü

• R1 = R2 = R3 olduğunda, terslemeyen giriş besleme, toprak ve çıkışın ortalama gerilimini (⅓~⅔ Vsupply) korur
• Başlangıçta kondansatör 0 V olduğundan çıkış yükselir; ardından kondansatör şarj olur ve ⅔ Vsupply değerine ulaştığında çıkış tersine döner
• Kondansatör ⅔ → ⅓ Vsupply aralığında deşarj olurken periyodik salınım oluşur
• 5 V devrede, Rcap = 10 kΩ ve C = 1 µF iken kuramsal olarak 75 Hz, gerçek ölçümde ise 70 Hz elde edilir
• Hatanın nedeni sabit olmayan akım yaklaşımının sınırlarıdır; R3 47 kΩ olarak ayarlanırsa daha doğru sonuç elde edilir

Frekans hesabı ve genel formül

• R1 = R2 olduğunda bu iki direnç birleştirilerek gerilim bölücü denklemi ile sadeleştirilebilir
• Kondansatör gerilimi ½ Vsupply etrafında salındığı için ortalama akım kullanılarak periyot t = Δv · C / I biçiminde hesaplanabilir
• Örnek değerlerle (R1 = R2 = 10 kΩ, R3 = 47 kΩ) gerçek frekans hesaplanır

Faz kaydırmalı (Phase-Shift) osilatör

• İşlemsel yükselteç gerilim izleyicisinin negatif geri beslemesi değiştirilerek belirli bir frekansta faz terslemesi oluşturulur
• RC alçak geçiren filtreler art arda bağlanarak her kademede -60°, toplamda -180° faz kayması elde edilir
• Her RC kademesinin ilgili frekansı, arktanjant (Arctan) bağıntısı kullanılarak hesaplanır
• Üç kademenin tümü aynı sonucu verir ve faz tersleme frekansında salınım meydana gelir

Dalga biçimi özellikleri ve simülasyon

• Yükselteç kazancı sınırlandırılmadığı için çıkış kare dalga biçimindedir, ancak RC filtreden geçen dalga sinüs dalgasına yaklaşır
• Simülasyon sonucunda kare dalga (mavi) ile sinüs dalgasının (gri) davranışları neredeyse çakışır
• Çıkış dalga biçimini saf sinüs yapmak için kazanç ayarlanabilir veya terslemeyen giriş sinyali yükseltilebilir

Devre tasarımında dikkat edilmesi gerekenler

• Her RC kademesinin empedansı 10 kat artırılarak karşılıklı yükleme etkisi en aza indirilir
• Empedanslar aynı olduğunda, altı bileşenin tamamının transfer fonksiyonunu hesaplamak karmaşık hâle gelir
• Kaynaklarda yüksek geçiren (high-pass) filtre ve tek transistör kullanan yöntemler de yer alır, ancak gerçek uygulama zordur
• Metindeki devre, Electronic Design makalesinde tartışılan düşük bozulmalı sinüs/kare dalga üreteci yapısına dayanır

---

[GN⁺]

Hacker News görüşleri

• Eski elektronik mühendisliği şakalarından biri şöyledir: “Bir osilatör yapmak istiyorsan bir yükselteç yapmayı dene.”
  80'lerde okuduğum, Philips radyolarının servis notlarını ele alan bir Television Magazine yazısını hatırlattı.
  Orada “Fix VIUPS” diye bir onarım talimatı vardı; birkaç direnç ve birkaç kapasitör değiştirmekten ibaretti.
  Yazar bunun ne olduğunu merak edip Philips merkezine kadar ulaşmış, sonunda bir mühendis “VIUPS, bozulduğunda çıkardığı sesin adı” diye cevap vermiş — “VIUPS VIUPS VIUPS”

  • Benim duyduğum versiyon şuydu: “Yükselteçler osilasyon yapar, osilatörler yapmaz.”
  • Bu, no-input tekniği ile kolayca gösterilebilir. Bir ses mikserinin çıkışını tekrar girişine bağlarsanız geri besleme oluşur ve bundan çeşitli tonlar üretilebilir.
    Yalnız dikkatli yapmak gerekir — gösterim videosu
  • Katılıyorum, gerçekten rezonans yaratan (resonates) bir hikaye.
  • AM radyoyla komşularını rahatsız etmenin en kolay yolu, rejeneratif AM alıcının kazancını fazla yükseltmektir.
    O zaman osilasyona girer ve aynı frekansta parazit yayar. Buna bir karbon mikrofon ekleyip gain'i sonuna kadar açarsanız basit bir AM vericisi olur.

• LC osilatörleri yapmak epey kolaydır.
  Rastgele devre topolojileri üretip SPICE simülasyonu ile osilasyon olup olmadığını arayan bir program yazmıştım.
  Sonuçta en basit biçimin 1 endüktör, 2 kapasitör, 1 direnç ve 1 transistörden oluştuğunu keşfettim.
  Bu devre ailesine “LCCRT osilatörleri” diyorum; tüm olası kombinasyonları ürettiğimde 12 benzersiz topoloji olduğunu gördüm.
  Gerçekte de test ettim, kararlıydılar ve hatta metal dedektörlerinde kullandım — proje bağlantısı

  • “Yeni” osilatör deniyor ama aslında hepsi Collpitts osilatörünün varyasyonları. Bunlar zaten 100 yıl önce incelenmiş yapılar, biraz alçakgönüllülük gerekir.
  • CS mezunu biri olarak, elektroniğe giriş seviyesindeyim; yazının neden LC osilatörleri yerine transistör merkezli olduğunu merak ettim.
  • Harika! Q-faktörüne göre sınıflandırılırsa daha da ilginç olabilir.
  • Yaklaşım çok etkileyiciydi. Depoya bakarken çok ilham aldım.
  • Hacker News'te gönderi paylaşınca hep böyle oluyor — biri çıkıp bilgisiyle ezip geçiyor.

• Küçükken elektroniğe başladığımda, osilatör yapmak için bir yükselteç yapmam, yükselteç yapmak için de bir osilatör yapmam gerekiyordu.
  7 yaşındaki hevesim teknolojiden büyüktü. Sayısız denemeden sonra ancak yükseltecin osilasyona girmemesini sağlayabildim.
  Direnç renk kodunu nasıl okuyacağımı bile bilmiyordum ama bildiğimi sanıyordum.

  • “7 yaşındaki heves” lafını çok sevdim. Asla kaybedilmemesi gereken bir tutum.
  • Bizi çoğu zaman durduran şey, “bu imkansız” diyen olgun anlayışımız oluyor.
  • 3 yaşındaki bir çocuğun “neden?”i ile 7 yaşındaki bir çocuğun hevesi birleşse, dünyanın en üretken dahisi ortaya çıkabilir.

• Yazıdaki ampul (lightbulb) hikayesini kısaca açıklamak istiyorum.
  Bir osilatörden temiz bir sinüs dalgası elde etmenin zor olmasının nedeni kazanç kararlılığıdır.
  Kazanç çok düşükse salınım söner, çok yüksekse doyuma girer ve harmonikler oluşur.
  Ampul kısa zaman ölçeğinde lineer bir direnç, uzun zaman ölçeğinde ise doğrusal olmayan bir direnç gibi davranır.
  Filament ısındıkça direnci arttığı için bundan yararlanarak kendini kararlı hale getiren bir osilatör yapılabilir.
  Ampulü yükseltecin kazanç ayar direnci olarak kullanırsanız neredeyse kusursuz bir sinüs dalgası elde edebilirsiniz.

• Osilatör, temelde kazancı faz gecikmesinin (>90 derece) etrafına sarmaktan ibarettir.
  Asıl mesele bunu ne kadar öngörülebilir ve kararlı yapabildiğinizdir.
  Dış etkenlere (sıcaklık, gerilim, zaman vb.) daha az duyarlı hale getirmek kritik noktadır; bunun için Allan Variance gibi kavramlara bakmak faydalı olabilir.

  • “Baykuşun geri kalanını çiz” memi gibi, osilatör yapmak anlatıldığı kadar kolay değildir.
    Vakum tüpünün icadından sonra bile kararlı osilatörler yapmak uzun zaman aldı.
    Sonunda bunu başaran bir şirket oldu; o da Hewlett-Packard idi.

• Osilatörün icadının aslında tesadüfi bir kaza olduğunu okuduğumu hatırlıyorum.
  Biri yükselteç yaparken giriş ile çıkışı yanlış bağlayıp bir “biiip” sesi çıkarmış ve osilatörün başlangıcı bu olmuş.
  O dönemde yüksek frekans üretmek için AC jeneratörler kullanılıyordu ve sınır yaklaşık 15kHz civarıydı.
  Bu hatadan pozitif geri besleme kavramı doğdu, ardından klasik osilatör devreleri ortaya çıktı.

• Bahsedilmeyen iki devre var.
  Biri, babamla 7-8 yaşlarındayken yaptığım “Two Transistor Metronome”.
  İki transistörün bir tür SCR gibi davrandığı bir gevşeme osilatörü — devre bağlantısı
  Roland TB303 veya Korg MS serisinin osilatörleri de buna benzer bir yapı kullanır.

  • Benim aklımdaki Astable Multivibrator idi. Muhtemelen aynı devredir.
    Genellikle iki NPN transistör kullanan versiyonlar daha yaygındır — referans bağlantısı

• Gitar efektlerinde hata ayıklamak için bir signal injector yapmıştım.
  Astable Multivibrator o kadar fazla harmonik üretiyordu ki giriş katında bile duyuluyordu.
  Neredeyse Juggernaut gibi sinyali zorla içeri itiyormuş hissi veriyordu.
  Filtreleri öğrenmek için iyi bir vesile oldu ve sonunda temiz bir sinüs dalgası üretebildim.

• Osilatörlerin zor olmasının nedeni, bizden beklenen doğruluk (spec) seviyesinin çok yüksek olmasıdır.
  Örneğin saatler için kullanılan bir osilatör yalnızca 5 parçadan oluşabilir ama günde 1 saniyeden az hata (100ppm) beklenir.
  Güç, başlangıç, sıcaklık kararlılığı gibi tüm koşulları karşılamak zordur.
  Ama sadece bir titreşim istiyorsanız gürültü üreteci yapabilirsiniz.
  Yeni başlayanlar için en kolay osilatör 555 timer'dır. Yaklaşık ±10% hata payı vardır ama çoğu kullanım için yeterlidir.
  555, 2 karşılaştırıcı, bir gerilim bölücü ve bir kapasitörden oluşan basit bir yapıdır.
  Ama modern devrelerin daha hızlı ve daha hassas olması gerekir; bu yüzden yeni başlayanlara yönelik bir yazıda 555 merkezli anlatım daha uygun olur.

• Müzik odaklı elektronikle ilgileniyorsanız Moritz Klein'ın YouTube kanalı önerilir.

  • Linki görür görmez bunun Moritz Klein olacağını anlamıştım.