Oscillator बनाना कठिन है

• oscillator सर्किट डिज़ाइन के मुख्य सिद्धांतों और वास्तविक implementation की कठिनाइयों को चरणबद्ध तरीके से समझाया गया है
• एकल MOSFET सर्किट स्थिर operating point के कारण oscillate क्यों नहीं करता, इसका विश्लेषण किया गया है, और इसे हल करने के लिए Schmitt trigger संरचना प्रस्तुत की गई है
• Schmitt trigger पर आधारित relaxation oscillator बनाकर लगभग 3 kHz की स्थिर frequency हासिल की गई है
• इसके बाद operational amplifier (op-amp) का उपयोग करने वाला एक सरल oscillator सर्किट पेश किया गया है, और सैद्धांतिक गणना तथा वास्तविक माप के अंतर की तुलना की गई है
• अंत में phase-shift oscillator के माध्यम से RC filter के phase change से sine waveform बनने के सिद्धांत को समझाया गया है, साथ ही analog circuit design में precision और experimental verification के महत्व पर जोर दिया गया है

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oscillator की बुनियादी अवधारणा और कठिनाई

• oscillator की मूल शर्त signal gain का होना है; gain न हो तो दोलन धीरे-धीरे खत्म हो जाता है
• कभी-कभी amplifier सर्किट संयोग से oscillate कर सकता है, लेकिन स्थिर analog oscillator को सीधे डिज़ाइन करना कठिन बताया गया है
• इंटरनेट पर अक्सर दिखने वाले oscillator सर्किट अस्थिर होते हैं या विशेष parts (जैसे center-tap inductor, incandescent bulb) की आवश्यकता होती है
• लक्ष्य है ऐसा oscillator बनाना जिसे समझना आसान हो और जिसकी frequency अनुमानित की जा सके, वह भी बिना किसी बाहरी reference के

एकल MOSFET oscillator प्रयास की सीमाएँ

• n-channel MOSFET को switch की तरह इस्तेमाल करके oscillation कराने की कोशिश की जाती है, लेकिन वास्तविकता में एक स्थिर equilibrium point मौजूद होता है, इसलिए oscillation रुक जाता है
• उदाहरण के तौर पर BS170 transistor की Vgs–Id curve दिखाई गई है, जिसमें लगभग 2 V के आसपास 300 µA current बहने वाली स्थिर अवस्था बनती है
• यह स्थिति “switch आधा चालू” रहने जैसी है, इसलिए oscillation जारी नहीं रहती

Schmitt trigger का उपयोग करके स्थिर switching

• बीच का स्थिर बिंदु न रखने वाले electronic switch के रूप में Schmitt trigger सर्किट प्रस्तुत किया गया है
• input 0 V होने पर दायाँ transistor conduct करता है, और input लगभग 2.6 V से ऊपर जाते ही बायाँ transistor चालू हो जाता है तथा दायाँ बंद हो जाता है
• इस प्रक्रिया में positive feedback पैदा होता है, जिससे सर्किट बीच की अवस्था में नहीं ठहरता
• input voltage 2.6 V पर चालू और 2.2 V पर बंद होने वाली 400 mV hysteresis बनती है

Schmitt trigger आधारित relaxation oscillator

• Schmitt trigger के output signal को input में feedback किया जाता है, और resistor–capacitor (RC) delay जोड़कर oscillation frequency नियंत्रित की जाती है
• 5 V power supply पर लगभग 3 kHz की oscillation frequency देखी गई
• capacitor voltage 2.2 V~2.6 V के बीच oscillate करता है, और charge-discharge समय क्रमशः 154 µs और 167 µs के रूप में गणना किया गया
• सर्किट को सरल बनाया जा सकता है, लेकिन और कम parts के लिए operational amplifier (op-amp) का उपयोग अधिक प्रभावी है

operational amplifier relaxation oscillator

• R1 = R2 = R3 configuration में non-inverting input power, ground और output के औसत voltage (⅓~⅔ Vsupply) को बनाए रखता है
• प्रारंभिक अवस्था में capacitor 0 V पर होता है, इसलिए output बढ़ता है; फिर capacitor charge होता है और ⅔ Vsupply पर पहुँचने पर output invert हो जाता है
• capacitor ⅔ → ⅓ Vsupply तक discharge होता है और इस तरह periodic oscillation बनती है
• 5 V सर्किट, Rcap = 10 kΩ, C = 1 µF होने पर सैद्धांतिक मान 75 Hz और वास्तविक माप 70 Hz है
• त्रुटि का कारण non-constant current approximation की सीमा है; R3 को 47 kΩ करने पर अधिक सटीक परिणाम मिलता है

frequency calculation और सामान्य सूत्र

• R1 = R2 होने पर दोनों resistors को मिलाकर voltage divider equation के रूप में सरल किया जा सकता है
• capacitor voltage ½ Vsupply के केंद्र के आसपास oscillate करता है, इसलिए औसत current का उपयोग करके t = Δv · C / I रूप में period की गणना की जाती है
• उदाहरण मानों (R1 = R2 = 10 kΩ, R3 = 47 kΩ) से वास्तविक frequency निकाली गई है

phase-shift oscillator

• operational amplifier voltage follower के negative feedback को बदलकर एक खास frequency पर phase inversion उत्पन्न किया जाता है
• RC low-pass filters को लगातार जोड़कर हर चरण में -60° और कुल मिलाकर -180° phase shift हासिल किया जाता है
• प्रत्येक RC चरण के arctangent (Arctan) संबंध का उपयोग करके वह frequency निकाली जाती है
• तीनों चरण समान परिणाम देते हैं, और phase inversion frequency पर oscillation होती है

waveform विशेषताएँ और simulation

• amplifier gain सीमित न होने के कारण output square wave के रूप में होता है, लेकिन RC filter से गुजरने के बाद waveform sine wave के काफी करीब हो जाती है
• simulation परिणामों में square wave (नीला) और sine wave (धूसर) का व्यवहार लगभग एक जैसा है
• output waveform को शुद्ध sine wave बनाने के लिए gain को समायोजित करना या non-inverting input signal को amplify करना उपयोगी है

सर्किट डिज़ाइन में विचार करने योग्य बातें

• प्रत्येक RC चरण की impedance को 10 गुना बढ़ाकर आपसी loading effect को न्यूनतम किया जाता है
• अगर impedance समान हो, तो सभी छह parts की transfer function calculation जटिल हो जाती है
• साहित्य में high-pass filter और single transistor का उपयोग करने वाले तरीके भी मिलते हैं, लेकिन वास्तविक implementation कठिन है
• मुख्य सर्किट Electronic Design लेख में चर्चा की गई low-distortion sine/square wave generator संरचना पर आधारित है

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[GN⁺]

Hacker News की राय

• इलेक्ट्रॉनिक्स का एक पुराना मज़ाक है: “अगर oscillator बनाना हो, तो amplifier बनाने की कोशिश करो”
  इससे मुझे 80 के दशक में पढ़ा Television Magazine का एक लेख याद आया, जिसमें Philips रेडियो के service notes की चर्चा थी
  उसमें “Fix VIUPS” नाम का एक repair instruction था, जिसमें कुछ resistors और कुछ capacitors बदलने थे
  लेखक को जिज्ञासा हुई कि इसका मतलब क्या है, तो उसने Philips मुख्यालय तक संपर्क किया, और आखिर में एक engineer ने जवाब दिया: “VIUPS उस आवाज़ का नाम है जो खराब होने पर आती है” — “VIUPS VIUPS VIUPS”

  • मैंने जो version सुना था, वह था: “amplifier oscillate करते हैं, और oscillator oscillate नहीं करते”
  • इसे no-input technique से आसानी से दिखाया जा सकता है। अगर audio mixer के output को फिर से input में जोड़ दें, तो feedback पैदा होता है और उससे कई तरह के tones बनाए जा सकते हैं
    लेकिन सावधानी से करना चाहिए — demo video
  • पूरी तरह relatable, सचमुच resonates करने वाली कहानी है
  • AM radio से पड़ोसियों को परेशान करने का सबसे आसान तरीका है regenerative AM receiver का gain बहुत ज़्यादा बढ़ा देना
    तब वह oscillate करने लगता है और उसी frequency पर शोर emit करता है। इसमें carbon microphone जोड़कर gain को पूरा बढ़ा दें, तो यह एक साधारण AM transmitter बन जाता है

• LC oscillator बनाना काफ़ी आसान है
  मैंने एक program बनाया था जो random circuit topologies generate करता था और SPICE simulation से यह ढूंढता था कि कौन oscillate करता है
  नतीजे में पता चला कि सबसे सरल रूप में 1 inductor, 2 capacitors, 1 resistor और 1 transistor होता है
  मैंने इस circuit family को “LCCRT oscillator” कहा, और सभी possible combinations generate करने पर 12 unique topologies मिलीं
  असल में test करने पर वे stable निकले, और मैंने उन्हें metal detector में भी इस्तेमाल किया — project link

  • “नया” oscillator कहा जा रहा है, लेकिन असल में ये सब Collpitts oscillator के variants हैं। ये संरचनाएँ 100 साल पहले ही study की जा चुकी थीं, इसलिए थोड़ा विनम्र रहना चाहिए
  • CS background वाले व्यक्ति के रूप में, मैं electronics के शुरुआती स्तर पर हूँ, इसलिए यह जिज्ञासा हुई कि लेख LC oscillator के बजाय transistor-केंद्रित क्यों है
  • कमाल है! अगर इन्हें Q-factor के आधार पर classify करें तो और भी दिलचस्प होगा
  • यह approach काफ़ी प्रभावशाली लगी। repository देखते हुए मुझे बहुत inspiration मिली
  • Hacker News पर पोस्ट करो और हमेशा यही होता है — कोई न कोई ज्ञान से दबा देता है

• जब मैं बचपन में electronics शुरू कर रहा था, तो oscillator बनाने के लिए amplifier बनाना पड़ता था, और amplifier बनाने के लिए oscillator बन जाता था
  7 साल के बच्चे की महत्त्वाकांक्षा उसकी तकनीक से बड़ी थी। बहुत कोशिशों के बाद ही मैं ऐसा amplifier बना पाया जो oscillate न करे
  मुझे resistor color code पढ़ना भी नहीं आता था, लेकिन मैं समझता था कि आता है

  • “7 साल के बच्चे की महत्त्वाकांक्षा” वाली बात बहुत अच्छी लगी। यह रवैया कभी नहीं खोना चाहिए
  • कई बार हमें रोकने वाली चीज़ “यह असंभव है” वाली परिपक्व समझ होती है
  • अगर 3 साल के बच्चे का “क्यों?” और 7 साल के बच्चे की महत्त्वाकांक्षा को जोड़ दें, तो शायद दुनिया का सबसे उत्पादक जीनियस बन जाए

• मैं लेख में आई lightbulb वाली बात को संक्षेप में समझाना चाहता हूँ
  oscillator से साफ़ sine wave निकालना मुश्किल होने की वजह gain stabilization है
  gain बहुत कम हो तो oscillation खत्म हो जाता है, और बहुत ज़्यादा हो तो saturation होकर harmonics पैदा होते हैं
  lightbulb कम समय के scale पर linear resistor की तरह और लंबे समय के scale पर nonlinear resistor की तरह काम करता है
  filament गरम होने पर resistance बढ़ता है, इसलिए इसका उपयोग self-stabilizing oscillator बनाने में किया जा सकता है
  अगर lightbulb को amplifier के gain-setting resistor की तरह इस्तेमाल करें, तो लगभग perfect sine wave मिल सकती है

• oscillator असल में बस phase delay (>90 degrees) के आसपास gain लगाने की बात है
  असली सवाल यह है कि उसे कितना predictable और stable बनाया जा सकता है
  तापमान, voltage, समय जैसी बाहरी चीज़ों के प्रति कम sensitive बनाना ही मुख्य बात है, और इसके लिए Allan Variance जैसी अवधारणाएँ देखना उपयोगी हो सकता है

  • “बाकी उल्लू बनाओ” वाले meme की तरह, oscillator बनाना सुनने जितना आसान नहीं है
    vacuum tube के आविष्कार के बाद भी stable oscillator बनाने में लंबा समय लगा था
    आखिरकार एक कंपनी सफल हुई, और वह थी Hewlett-Packard

• मैंने कहीं पढ़ा था कि oscillator का आविष्कार असल में एक दुर्घटनावश हुई खोज था
  कोई amplifier बना रहा था, लेकिन उसने गलती से input और output को गलत तरह से जोड़ दिया और “पीईईईप” जैसी आवाज़ निकली, वहीं से oscillator की शुरुआत हुई
  उस समय high frequency बनाने के लिए AC generators का इस्तेमाल होता था, जिनकी सीमा लगभग 15kHz थी
  इसी गलती से positive feedback की अवधारणा सामने आई, और फिर बाद में classical oscillator circuits आए

• दो ऐसे circuits हैं जिनका ज़िक्र नहीं हुआ
  उनमें से एक “Two Transistor Metronome” है, जिसे मैंने अपने पिता के साथ 7–8 साल की उम्र में बनाया था
  यह एक relaxation oscillator है, जिसमें दो transistors किसी तरह SCR की तरह काम करते हैं — circuit link
  Roland TB303 या Korg MS series के oscillators भी इसी तरह की संरचना इस्तेमाल करते हैं

  • मेरे मन में Astable Multivibrator आया था। शायद वही circuit होगा
    आम तौर पर NPN transistor के दो टुकड़ों वाला version ज़्यादा मिलता है — reference link

• guitar effects को debug करने के लिए मैंने एक signal injector बनाया था
  Astable Multivibrator इतना ज़्यादा harmonics पैदा कर रहा था कि input stage पर भी सुनाई दे रहा था
  एहसास लगभग Juggernaut की तरह signal को धकेलने जैसा था
  यह filters सीखने का अच्छा मौका बना, और आखिर में मैं साफ़ sine wave बना सका

• oscillator मुश्किल इसलिए लगते हैं क्योंकि हम उनसे accuracy spec बहुत ऊँची चाहते हैं
  उदाहरण के लिए, घड़ी में इस्तेमाल होने वाला oscillator सिर्फ 5 components से बना हो सकता है, लेकिन उससे एक दिन में 1 second के भीतर की त्रुटि (100ppm) अपेक्षित होती है
  power, startup, temperature stability जैसी सभी शर्तें पूरी करना कठिन है
  अगर सिर्फ vibration चाहिए, तो noise generator बना लो
  शुरुआती लोगों के लिए 555 timer सबसे आसान oscillator है। इसमें लगभग ±10% error हो सकती है, लेकिन ज़्यादातर उपयोगों के लिए यह काफ़ी है
  555 एक सरल संरचना है, जिसमें 2 comparators, एक voltage divider और capacitor होता है
  लेकिन आधुनिक circuits को अधिक तेज़ और अधिक सटीक होना पड़ता है, इसलिए अगर लेख beginners के लिए है तो 555-केंद्रित समझाना बेहतर होगा

• अगर आपकी रुचि संगीत-केंद्रित electronics में है, तो Moritz Klein का YouTube channel सुझाऊँगा

  • लिंक देखते ही मुझे तुरंत लगा कि यह Moritz Klein ही होगा