Oscillatorfrequentie

Fred,

je kunt een schakeling bedenken die zich als negatieve weerstand gedraagt.
Dit is trouwens een leuk topic.

Vast wel, maar dan moet ik eerst weten wat een negatieve weerstand nu feitelijk is en hoe je dat meet want als ik iets bouw dan zal ik toch moeten weten wat voor resultaat ik kan verwachten. Ik zal vanavond , als ik tijd kan vinden, eens in de boeken duiken of daar iets staat.

Je weet toch wat een Wunderhorn is?
Dat is een negatieve weerstand, die je parallel aan een LC kring zet. De demping (door de positieve weerstand van de kring) wordt dan opgeheven, zodat een oscillatie kan blijven bestaan.
Met alleen positieve weerstand zou dat niet kunnen.

Tussen de poten van de Wunderhorn (zonder aangesloten LC kring) zou je dus een negatieve weerstand moeten meten. Niet op elke frequentie natuurlijk - op 0 Hz bijvoorbeeld niet, en op 20 GHz meestal ook niet. Daartussen over een heel breed gebied wel. Daarom oscilleert alles wat je eraan hangt.

Op 11 februari 2009 13:30:21 schreef fred101:
Vast wel, maar dan moet ik eerst weten wat een negatieve weerstand nu feitelijk is en hoe je dat meet want als ik iets bouw dan zal ik toch moeten weten wat voor resultaat ik kan verwachten. Ik zal vanavond , als ik tijd kan vinden, eens in de boeken duiken of daar iets staat.

Een negative weerstand doet het omgekeerde als een normale positieve. Bij toenemende stroom er door neemt de spanning af. Bij een positieve weerstand neemt die toe.
Vaak is dit een "dynamische" eigenschap over een beperkt gebied. Dus niet een lineaire negative weerstand vanaf b.v. 0 mA tot 100mA, maar slechts tussen 70mA en 100mA. Een voorbeeld leuk uitgelegd vind je bij deze dipper. Een tunnel diode heeft ook zo een eigenschap.

Conceptueel kun je gewoon eens nadenken over een aangeslagen kring met demping.
* Is de weerstand >> 0 dan dempt de trilling snel uit.
* Is de weerstand bijna 0, dan gaat de trilling zeer lang door.
* Wat zou er gebeuren als er een weerstand < 0 is? Dan dempt hij niet, maar sterkt aan... In feite is dit het geval bij een oscillator.

Op 11 februari 2009 12:04:33 schreef Frederick E. Terman:
Nee, negatieve weerstand is gewoon -R, zeg maar. Daar heeft de X niets mee te maken.

Of "teveel" negatieve weerstand de Q verlaagt is niet gezegd, maar wordt gevraagd.
Zelf heb ik daar nooit bij stil gestaan: in bedrijf (van een oscillator) vind ik zelf dat de negatieve weerstand de verliezen net zo ongeveer moet opheffen, dus dat de rondgaande versterking 1 is. Maar uit Q oogpunt heb ik daar nooit naar gekeken.

Kijk eens wat ik vond. Een aardig artikel van David Newkirk, WJ1Z (ARRL)

Trace 1 might seem to be even better because the resistance is more negative, but now we are loading the resonator (and lowering the loaded Q) more than we need to

En de (misschien niet erg wetenschappelijke) uitleg bij figuur 4

The more rounded the trace corner, the lower the Q.

Er staan wat referenties onderaan dit artikel, maar niet duidelijk is of ze daar dieper op het Rneg v.s. Q verhaal ingaan.

[Bericht gewijzigd door Henry S. op donderdag 12 februari 2009 19:57:09 (31%)]

Leuk, dit gaat er inderdaad over. Straks even helemaal fileren.

Helemaal op gevoel zou ik over een "te grote" -R alvast dit zeggen:
als de negatieve weerstand groot is, zal de oscillator erg hard moeten oscilleren voordat de verliezen groot genoeg zijn geworden om de negatieve weerstand op te heffen (tot die tijd blijft de amplitude dus toenemen/clippen).

De versterker (oscilator) heeft dan meer "grip" op de kring dan wenselijk is; de kring zelf heeft als het ware minder over de frequentie te zeggen.

Vergelijk het met een schommel: als je voorzichtig steeds genoeg duwt om hem te laten slingeren, zal de slingertijd steeds gelijk blijven.
Maar als je met ijzeren greep het plankje beetpakt en hem wild heen en weer schudt, komt de eigen trillingstijd van de schommel niet tot zijn recht.

Lijkt me een goede analogie. Je wilt hem alleen door de (lucht)weerstand heen helpen. De rest mag hij zelf doen. Je wilt hem alleen een klein zetje geven als hij aan het einde van de swing is aangekomen.
Bij een ander artikel over phase noise van een Colpitts had ik ook gelezen dat het feit dat de transistor een groot deel van de cyclus niet geleidt geen probleem hoeft te zijn. Als deze maar constant op het juiste moment (netjes midden in de piek) even geleidt.
Andere artikelen zijn weer meer voor continu geleiden en een limiter inzetten (twee diodes antiparallel) op een plek zo ver mogelijk geisoleerd van de resonator.

Ik zie nu in het artikel trouwens dat ze niet "meten" in plaats van de resonator, maar er doorheen. Dat kan natuurlijk ook. Als er dan een Rneg is, is dit de optelsom van R-resonator en Rneg van de load. Is deze kleiner dan nul, dan kan het oscilleren. Er wordt gesuggereerd wat marge te nemen voor componentvariaties en/of afstemming, maar niet meer dan dat.

Ik heb o.a. wel eens een Colpitts oscillator gebouwd met een diode limiter. Werkte redelijk goed. De 2e harmonische was zo'n 30dB lager dan de 1e.

Ik heb erg veel plezier met het simuleren en dan meten van negatieve weerstanden.
De "wunderhorn" (twee FETs sourcegekoppeld, gemeenschappelijke 1k sourceweerstand, 10k drainweerstand, 1pF terugkoppeling, 1M gateweerstand) is een goede kandidaat.
Hij meet (met 12V voedingsspanning) maar liefst ettelijke kiloohms negatief op de gate van de eerste fet. Geen wonder dat hij met alles wil oscilleren!
Dan zou je de sourceweerstand dus wel regelaar willen maken om dat wat te temmen.

Heel leuk: zo zonder kring eraan metend vind ik ook een geweldige piek van "plus tig Mohm" op 142 kHz.
Klopt ook wel: zo los, zonder kring, in de transient analysis, gaat hij op 142 kHz oscilleren als een gewone multivibrator.

Nou, ik ook. We hebben elkaar weer helemaal gevonden
Met die Rneg analyse methode kan ik nu ook rap deze schakeling optimaliseren. Eerst was dat een beetje trial and error.

Het idee is dat dit een oscillator is die zo puur mogelijk op de series resonantie van het kristal loopt. Het is een afgeleide van een schakeling uit het boek van Matthys. Daarin maakt hij leuke analyses van diverse kristaloscillatoren. Alleen begin ik deze analyses 16 jaar na dato van het boek met SPICE toch een beetje anders te zien. Deze schakeling zou een zeer goede short-term stability hebben.

In bovenstaande schakeling kan met R7 als trimmer (0-470 Ohm) precies Rneg iets kleiner dan 0 worden ingesteld. Er zitten verder bijna geen parasitaire onderdelen in. Wel moeten de transistoren dan ook een beetje rap zijn. Maar uiteindelijk is I(c3) in de grootte orde van 1 a 2% van I(L1). Al met al is het potentieel een leuke testschakeling kunnen zijn voor mensen die geen VNA tot beschikking hebben, maar toch snel en goed de natuurlijke frequentie van een kristal willen weten.

Grappig jullie doen alle moeite om iets aan het oscilleren te krijgen terwijl ik vruchteloos probeer iets NIET te laten oscilleren
Is dat het gevolg van het feit dat negatieve differentiaalweerstand ook voorkomt bij gasontlading. Ontstaat er in buizen ook gasontlading ? Dan verklaart dat waarom buizen zo goed kunnen gillen.

Ik snap nu denk ik wel wat negatieve weerstand inhoud en dat er dingen zijn die die naam krijgen omdat anders dat component niet aan de wet van ohm meer voldoet. Uiteindelijk staat daar niet bij dat die alleen met positieve getallen werkt.

Is wel een heel vreemd iets. Je hebt feitelijk een component wat iets doet waardoor het eigenlijk niet aan de wet van ohm voldoet (tenminste zoals je het op school leert) Aangezien de spanning en stroom meetbaar zijn moet de weerstand op zo'n moment dus wel negatief zijn anders wordt ohm boos.

Gaaf, ik ga een negatieve differentiaalweerstand meter bouwen. Dat gaat dan de geschiedenis in als de fredden-meter die de negatieve weerstand in fredden aangeeft. De wet van fred voor oscillators wordt dan: U=IxFredden

Als het goed is, komt in gewone buizen geen gasontlading voor: er zit geen gas in.

Een passieve negatieve weerstand op DC zou heel vreemd zijn: je sluit er een accu op aan, en die wordt dan geladen.
Het is dan ook duidelijk dat er bij negatieve weerstanden altijd iets actiefs moet zijn om het gevraagde vermogen te leveren. In de elektronica gaat het dan bijna altijd om buizen, transistoren oid.

Maar een "arc" deed het ook in zenders, daar kwam - anders dan bij vonkzenders - een keurige draaggolf uit. En ook een gewone germaniumdiode, die je in sper laat doorslaan, kun je aan het gillen krijgen.

Zoiets als dit hier of deze of zelf met een plaatje Zink
Eigenlijk wel leuk om eens te proberen.

[Bericht gewijzigd door jojo op donderdag 12 februari 2009 10:02:15 (13%)]

Ik heb hem even in elkaar gezet met een 455KHz tweepootje, een 2K2 potmeter achter een 1K weerstand en een 2n2222. Het werkt, je wil niet weten hoe het eruit ziet maar hij oscilleert stabiel. De vorm van de oscillaties is niet te beschrijven maar varieert met de stroom of spanning. Ik kreeg er zelfs een sinus achtig iets uit waarbij de amplitude van alle toppen gelijk was maar de nul doorgangen om en om niet gelijk waren. Dus eerste een van 910KHz en dan een van 981KHz en dat zo om en om. Een afgestompte bovenkant voor de 910 en een spitse voor de 981KHz. Gemeten met een 1:10 probe direct op de kring dus die voegt extra capaciteit en weerstand toe. Ik kan het ook nog een met een 1:100 doen of met de SA proberen op te pikken. De componenten zaten direct tegen elkaar gesoldeerd dus geen inductie/capaciteit van extra draad/pootjes of breadboard.

Je kunt de golfvorm beter krijgen door de voedingsspanning te varieren. Maar als je een (te) mooie vorm krijgt, heb je meer kans dat de oscillatie stopt. Een Fet buffer en een LPF helpen.
Als je een 1:10 of 1:100 probe gebruikt moet je de ground kabel van de probe zo kort mogelijk houden.

De wet van Fred U=IxFredden

is Fredden nu negatief ? Of is Fredden gewoon complex?

Weer een lunchpauze naar de knoppen! Ik heb "curves" formules gemaakt voor alle mogelijke representaties van de impedantie op een node.
Zie het pdf document voor een toepassing.

Dit zal voor Spice vast ook wel werken. Let op het extra minnetje: pspice werkt met de stroomrichting de bron IN, maar wij willen hem juist erUIT hebben.

Fredden is een negatieve grootheid maar best complex als ik dat hier zo allemaal lees. Mu moet ik nog wel een fredden meter maken.

even zonder gekheid. rekenkundig klopt het dus allemaal, in de simulatie ook en in praktijk blijkt het ook te kloppen (heb ik gezien al snap ik niet precies hoe het dan kan)

Maar zo gek als jullie twee zijn op het berekenen/simuleren van al dit soort zaken ben ik gek op het doen van "vreemde" experimenten en metingen. Het lijkt me nog steeds erg spannend om die negatieve weerstand op de een of andere manier ook echt te kunnen meten. Theorie moet tenslotte in de praktijk bewezen worden. kan me niet voorstellen dat jullie gecombineerde "brainpower" hier geen oplossing voor weet te bedenken

[Bericht gewijzigd door fred101 op donderdag 12 februari 2009 18:57:45 (12%)]

Leuk Fred, dat had je snel in elkaar gezet. Een resultaat van een experiment melden binnen een half uurtje!

Over dat meten van Rneg. Ik zit te denken aan simpelweg een signaalgenerator aansluiten via zeg 1KOhm. De spanning die je op deze soort van stroombron ziet is dan een maat voor de impedantie. Alleen weten we nog niet of die positief of negatief is, tenzij je de polariteit kunt meten.
Zou je nu een oscillatorschakeling hebben waarbij je de Rneg kunt regelen (b.v. potmeter), dan zou je kunnen regelen tot voorbij het punt waar Rneg ineens positief wordt. Daar waar hij even 0 is, zul je geen signaal meten.

Om ook de load zuiver Ohms te hebben (anders meet je alsnog signaal bij Rneg = 0) is het wellicht handig hem aan te sturen op de resonantiefrequentie. Tenminste als we het over een capacitieve load hebben als bij een Colpitts. Dus eerst even kijken waar de oscillator zelfstandig op draait. Daarna de spoel loshalen aan 1 kant, en hierop die 1K aansluiten.

Nu nog een oscillator waarbij we fijn de Rneg/Rplus kunnen tunen. Misschien is een JFET als de J310 een mogelijkheid waarbij de source biasresistor wordt gevarieerd. Ik zal straks even proberen te simuleren of dat wat biedt.
Of anders mijn schakeling die ik boven heb gepost, maar die is wellicht wat complex voor een experimentje.

Fred, het kan wellicht ook anders. Als je bij het onderstaande circuit cs naar GND kortsluit hoort het te oscilleren op ca 3MHz. Knip je dat punt los en verbind het met een 3MHz oscillator via 1K dan oscilleert het niet meer.
Maar door de trimmer R5 op te voeren van 0 naar 500 Ohm, zul je van Rneg in Rpos komen. Daar zal de amplitude die je kan meten op cs minimaal zijn of zelfs helemaal nul.
Als we nu cs weer kortsluiten, dan hoort dat punt ook te zijn waar met R5 de oscillator net afslaat of begint te werken.

Dat de weerstand negatief is moet je dan maar aannemen omdat op dat kantelpunt de (positive) waarde van R5 de Rneg net opheft. Aan R5 kun je dan meten wat die was.
De lijnen onderaan zijn de frequentie sweeps voor de diverse waarden van serieweerstand R5. Eentje daarvan is minimaal. Daaronder en daarboven niet. Boven en onder horen een andere polariteit te hebben als je de scoop kan synchen op het oorspronkelijke signaal, ook een indicatie van positive en negatieve weerstand.

Tot zover natuurlijk de theorie Hoe betrouwbaar de simulatie is blijft altijd een beetje gissen. Zekere met het model van de NPN tor.

Nog een variatie op dit thema. Maar nu misschien makkelijker na te bouwen met een opampschakeling. De schakeling wordt aangestuurd door een bron met een inwendige- of serieweerstand van 2K. Ondanks de spanning van 0-1V gaat er een stroom van 0-1mA lopen. Net alsof er i.p.v. 2K slechts 1K aan hangt. Dat komt omdat de opampschakeling een weerstand van -1K biedt.

Hang je er nu een LC kring aan dan gaat die oscilleren als je net iets minder dan die 1K aan "verliesweerstand" in je kring hebt. Daar boven zal het niet oscilleren.

Het is dat ik wat te gaar ben op het moment anders ging ik het gelijk proberen. De eerste met die tor zal wel lukken. Opamps heb ik niet zoveel dus dat wordt lastig of ik moet die van de scoop kunnen gebruiken. Ik zal hem morgen eens in elkaar zetten en wat scoop foto's maken. Externe sync is geen probleem. Ik heb een Tek 535a met 8 plugins waaronder een opamp plugin

Qua opties zodat je een meetopstelling kunt bedenken want ik heb niet heel specialistisch spul en voornamelijk met buizen, maar ik ben wel handig met solderen en bouwen: SA, diverse meetzenders, frequentie tellers, wat scopen (met 1:1, 1:10 en 1:100 en differentiaal modules) Een multimeter die Watt en gebalanceerd kan meten, een megaohm meter, LCR meters (R&S en marconi), wobbelaars. ESR meter, dippers en wat ik nog meer vergeet

Die eerste schakeling heeft een RL(C) kring. Is het niet zo dat wanneer je de weerstand hoog genoeg maakt je de spoel als het ware in de lucht hang. Logisch dat hij dan niet meer aanslaat. Als de weerstand laag genoeg is dempt hij de kring wat, de Q wordt lager en de boel oscilleert op de paracitaire capaciteit. Als je er nu een generator op aansluit krijg je dan niet dat die signalen elkaar opheffen bij een bepaalde R waarde omdat er evenwicht ontstaat en iets van signalen die elkaar opheffen. Zeg maar zoals het laadstroom lampje van je auto.

"ik heb niet heel specialistisch spul" zegt'ie Een aardig arsenaal als je het mij vraagt.

Die opamp schakeling was bedoelt om te laten zien dat je met eenvoudige middelen een aardig lineaire negatieve weerstand kunt maken. Stuur een positief stroompje in, waarop hij een negatieve spanning laat zien en andersom. Ook kun je met een labvoeding en DC meter dan al aan de slag. Je hebt geen signaalgenerator nodig.

Natuurlijk kun je je voorstellen dat als je een werkende oscillator genoeg dempt, dat hij dan stopt. Maar door de boel om te draaien en eens te kijken "vanuit de kring" naar de schakeling is het beter voorspelbaar wanneer er oscillatie kan optreden en wanneer niet.

Ik ben er nog niet aan toegekomen. (Z) kwam langs en we hebben samen de Russische SNA (tenminste, het is iets tussen een SNA en wobbelaar in) weer aan de gang gekregen en daarna er wat mee gespeeld. Leuk hoor, een stuk coax er tussen en je ziet alle staande golven. Gelijk de stappen-verzwakkers, dummies enz getest. Erg grappig om te doen. Ook er even een provisorische SA van gemaakt maar de ingang is niet logarithmisch. Het werkte in ieder geval wel.
Ik zal proberen die met die tor te maken en met de scoop opamp-plugin het laatste model te maken.

Ik ben op iets vreemds gestuit!
Nu heb ik de schakeling gebouwd met een potmeter (10K) in de collector en grotere condensators (470pF). Gebruik een 850kHz kristal.

Met de BC547 krijg ik:

http://www.peterevers.nl/Fotos/SP_A0127.jpg

Vrij mooi vind ik, nu zet ik er een BF494 in, krijg ik dit:

http://www.peterevers.nl/Fotos/SP_A0130.jpg

Lelijk toch?! Hoe kan het dat een transistor die speciaal voor HF gemaakt is de golf veel minder mooi versterkt?

[Bericht gewijzigd door Henry S. op donderdag 5 maart 2009 22:41:17 (2%)]

Een BF494 en een BC547 hebben met een 850kHz geen problemen. Dat is voor beide niet een hoge frekwentie.

Is ook de basistroom aangepast bij de BF494?

Ja, potmeter zo mooi mogelijk geprobeerd in te stellen zonder dat de amplitude ver inzakt. Zal het morgen nog eens bekijken (heb thuis geen scoop). Kijken of ik echt geen meetfouten heb gemaakt.