LC Oscillators

LC Oscillators

Lecture Outcomes

  • Understand LC oscillators.
  • Analyze LC oscillator circuits.
  • Design Colpitts oscillators.
  • Design Hartley oscillators.

Topics

  • LC oscillators
  • Analysis of LC oscillators
  • Colpitts oscillators
  • Hartley oscillators

LC Oscillators (3-element / Pi (π) type)

  • The circuit includes an op-amp small signal model and a Pi feedback network (Z1, Z2, Z3).
  • Feedback exists between the output voltage v<em>ov<em>o and the input voltage v</em>iv</em>i.
  • vpv_p is the voltage at the non-inverting input.
  • v<em>nv<em>n is the voltage at the inverting input which is equal to v</em>iv</em>i.
  • A0A_0 is the open-loop gain of the op-amp.
  • RoR_o is the output resistance of the op-amp.
Analysis
  • Considering the node at v<em>i=v</em>nv<em>i = v</em>n:
    v<em>iv</em>oZ<em>3+v</em>iZ<em>1=0\frac{v<em>i - v</em>o}{Z<em>3} + \frac{v</em>i}{Z<em>1} = 0v</em>o=Z<em>3(v</em>iZ<em>3+v</em>iZ<em>1)=Z</em>3(1Z<em>3+1Z</em>1)viv</em>o = Z<em>3 \left( \frac{v</em>i}{Z<em>3} + \frac{v</em>i}{Z<em>1} \right) = Z</em>3 \left( \frac{1}{Z<em>3} + \frac{1}{Z</em>1} \right) v_i

  • Considering the node at v<em>0v<em>0: v</em>ov<em>iZ</em>3+v<em>oZ</em>2+v<em>ov</em>op-amp outputR<em>o=0\frac{v</em>o - v<em>i}{Z</em>3} + \frac{v<em>o}{Z</em>2} + \frac{v<em>o - v</em>{\text{op-amp output}}}{R<em>o} = 0v</em>op-amp outputR<em>o=v</em>oZ<em>3+v</em>oZ<em>2+v</em>oR<em>ov</em>iZ<em>3=(1Z</em>3+1Z<em>2+1R</em>o)v<em>o1Z</em>3vi\frac{v</em>{\text{op-amp output}}}{R<em>o} = \frac{v</em>o}{Z<em>3} + \frac{v</em>o}{Z<em>2} + \frac{v</em>o}{R<em>o} - \frac{v</em>i}{Z<em>3} = \left( \frac{1}{Z</em>3} + \frac{1}{Z<em>2} + \frac{1}{R</em>o} \right) v<em>o - \frac{1}{Z</em>3} v_i

  • Substitution:

    v<em>op-amp output=(1+Z</em>3Z<em>1)(R</em>oZ<em>3+R</em>oZ<em>2+R</em>oR<em>o)v</em>iR<em>oZ</em>3viv<em>{\text{op-amp output}} = \left(1 + \frac{Z</em>3}{Z<em>1}\right) \left( \frac{R</em>o}{Z<em>3} + \frac{R</em>o}{Z<em>2} + \frac{R</em>o}{R<em>o} \right) v</em>i - \frac{R<em>o}{Z</em>3}v_i

Analysis (cont.)
  • Deriving the transfer function:
    v<em>op-amp outputv</em>i=R<em>oZ</em>3+R<em>oZ</em>2+R<em>oR</em>o+Z<em>3Z</em>1R<em>oZ</em>3+Z<em>3Z</em>1R<em>oZ</em>2+Z<em>3Z</em>1R<em>oR</em>oR<em>oZ</em>3Z<em>1Z</em>1=R<em>oZ</em>2+R<em>oZ</em>3Z<em>1Z</em>2+R<em>oZ</em>3Z<em>1Z</em>1Z<em>1\frac{v<em>{\text{op-amp output}}}{v</em>i} = \frac{\frac{R<em>o}{Z</em>3} + \frac{R<em>o}{Z</em>2} + \frac{R<em>o}{R</em>o} + \frac{Z<em>3}{Z</em>1} \frac{R<em>o}{Z</em>3} + \frac{Z<em>3}{Z</em>1} \frac{R<em>o}{Z</em>2} + \frac{Z<em>3}{Z</em>1} \frac{R<em>o}{R</em>o} - \frac{R<em>o}{Z</em>3}}{\frac{Z<em>1}{Z</em>1}} = \frac{\frac{R<em>o}{Z</em>2} + \frac{R<em>o Z</em>3}{Z<em>1 Z</em>2} + R<em>o \frac{Z</em>3}{Z<em>1}}{\frac{Z</em>1}{Z<em>1}}=Z</em>1R<em>oZ</em>1Z<em>2+R</em>oZ<em>3Z</em>1Z<em>2+R</em>oZ<em>2Z</em>2Z<em>1Z</em>1=Z<em>1R</em>o+Z<em>1Z</em>2+Z<em>2R</em>o+Z<em>3R</em>o+Z<em>2Z</em>3Z<em>1Z</em>2= \frac{\frac{Z</em>1 R<em>o}{Z</em>1 Z<em>2} + \frac{R</em>o Z<em>3}{Z</em>1 Z<em>2} + \frac{R</em>o Z<em>2}{Z</em>2} }{\frac{Z<em>1}{Z</em>1}} = \frac{Z<em>1R</em>o + Z<em>1Z</em>2 + Z<em>2R</em>o + Z<em>3R</em>o + Z<em>2Z</em>3}{Z<em>1Z</em>2}
    =R<em>o(Z</em>1+Z<em>2+Z</em>3)+Z<em>2(Z</em>1+Z<em>3)Z</em>1Z2= \frac{R<em>o (Z</em>1 + Z<em>2 + Z</em>3) + Z<em>2 (Z</em>1 + Z<em>3)}{Z</em>1Z_2}
  • Feedback factor:
    K(jω)=v<em>iv</em>op-amp output=Z<em>1Z</em>2R<em>o(Z</em>1+Z<em>2+Z</em>3)+Z<em>2(Z</em>1+Z3)K(j\omega) = \frac{v<em>i}{v</em>{\text{op-amp output}}} = \frac{Z<em>1Z</em>2}{R<em>o (Z</em>1 + Z<em>2 + Z</em>3) + Z<em>2 (Z</em>1 + Z_3)}
  • Since Z<em>n=jX</em>nZ<em>n = jX</em>n with X<em>n=X</em>L=ωLX<em>n = X</em>L = \omega L or X<em>n=X</em>C=1ωCX<em>n = X</em>C = -\frac{1}{\omega C}:
    K(jω)=Z<em>1Z</em>2R<em>o(Z</em>1+Z<em>2+Z</em>3)+Z<em>2(Z</em>1+Z<em>3)=X</em>1X<em>2jR</em>o(X<em>1+X</em>2+X<em>3)X</em>2(X<em>1+X</em>3)K(j\omega) = \frac{Z<em>1Z</em>2}{R<em>o (Z</em>1 + Z<em>2 + Z</em>3) + Z<em>2 (Z</em>1 + Z<em>3)} = \frac{-X</em>1X<em>2}{jR</em>o (X<em>1 + X</em>2 + X<em>3) - X</em>2 (X<em>1 + X</em>3)}
Analysis (cont.)
  • Barkhausen criteria application:
    K(jω)=X<em>1X</em>2jR<em>o(X</em>1+X<em>2+X</em>3)X<em>2(X</em>1+X3)K(j\omega) = \frac{-X<em>1X</em>2}{jR<em>o (X</em>1 + X<em>2 + X</em>3) - X<em>2 (X</em>1 + X_3)}

  • Phase condition requires a real-valued equation:
    X<em>1+X</em>2+X3=0X<em>1 + X</em>2 + X_3 = 0

  • Gain condition:
    K(ω<em>0)=X</em>1X<em>2X</em>2(X<em>1+X</em>3)=X<em>1X</em>1+X<em>3=X</em>1X2K(\omega<em>0) = \frac{-X</em>1X<em>2}{-X</em>2(X<em>1 + X</em>3)} = \frac{X<em>1}{X</em>1 + X<em>3} = -\frac{X</em>1}{X_2}

  • X<em>1X<em>1 and X</em>2X</em>2 are typically the same component type, their ratio is positive.

  • If the gain of the amplifier with negative feedback is A, the total gain is:

    AX<em>1X</em>2=10-A \cdot -\frac{X<em>1}{X</em>2} = |1| \angle 0^{\circ}

  • A practical system requires a gain of -A to cancel the negative sign of K(ω0)K(\omega_0).

  • The negative sign indicates the need for an inverting amplifier to correct the phase of K(ω0)K(\omega_0).

Colpitts Oscillator

  • Circuit diagram includes capacitors C1, C2 and inductor L3.
  • Derivation of design equations:
    Z<em>1=1jωC</em>1,Z<em>2=1jωC</em>2,Z<em>3=jωL</em>3Z<em>1 = \frac{1}{j\omega C</em>1}, Z<em>2 = \frac{1}{j\omega C</em>2}, Z<em>3 = j\omega L</em>3
  • Satisfying the phase condition:
    X<em>1+X</em>2+X<em>3=0    1ωC</em>11ωC<em>2+ωL</em>3=0X<em>1 + X</em>2 + X<em>3 = 0 \implies -\frac{1}{\omega C</em>1} - \frac{1}{\omega C<em>2} + \omega L</em>3 = 0
  • Solving for ω<em>0\omega<em>0: ωL</em>3=1ω(1C<em>1+1C</em>2)\omega L</em>3 = \frac{1}{\omega} \left( \frac{1}{C<em>1} + \frac{1}{C</em>2} \right)
    ω2=1L<em>3(1C</em>1+1C<em>2)1=1L</em>3C<em>1C</em>2C<em>1+C</em>2\omega^2 = \frac{1}{L<em>3} \cdot \left( \frac{1}{C</em>1} + \frac{1}{C<em>2} \right)^{-1} = \frac{1}{L</em>3} \cdot \frac{C<em>1 C</em>2}{C<em>1 + C</em>2}
    ω<em>0=ω=1L</em>3C<em>1C</em>2C<em>1+C</em>2\omega<em>0 = \omega = \frac{1}{\sqrt{L</em>3 \frac{C<em>1 C</em>2}{C<em>1 + C</em>2}}}
  • Satisfying the gain condition:
    K(ω<em>0)=X</em>1X<em>2=1/ωC</em>11/ωC<em>2=C</em>2C1K(\omega<em>0) = -\frac{X</em>1}{X<em>2} = -\frac{1/\omega C</em>1}{1/ \omega C<em>2} = -\frac{C</em>2}{C_1}
  • Total gain achieved with an inverting amplifier:
    AX<em>1X</em>2=1    A=C<em>1C</em>2=R<em>2R</em>1-A \cdot -\frac{X<em>1}{X</em>2} = 1 \implies A = \frac{C<em>1}{C</em>2} = \frac{R<em>2}{R</em>1}

Hartley Oscillator

  • Circuit diagram has inductors L1, L2 and capacitor C3.

  • Derivation of design equations:

    Z<em>1=jωL</em>1,Z<em>2=jωL</em>2,Z<em>3=1jωC</em>3Z<em>1 = j\omega L</em>1, Z<em>2 = j\omega L</em>2, Z<em>3 = \frac{1}{j\omega C</em>3}

  • Satisfying the phase condition:

    X<em>1+X</em>2+X<em>3=0    ωL</em>1+ωL<em>21ωC</em>3=0X<em>1 + X</em>2 + X<em>3 = 0 \implies \omega L</em>1 + \omega L<em>2 - \frac{1}{\omega C</em>3} = 0

  • Solving for ω<em>0\omega<em>0: ω</em>0=ω=1C<em>3(L</em>1+L2)\omega</em>0 = \omega = \frac{1}{\sqrt{C<em>3 (L</em>1 + L_2)}}

  • Satisfying the gain condition:
    K(ω<em>0)=X</em>1X<em>2=ωL</em>1ωL<em>2=L</em>1L2K(\omega<em>0) = -\frac{X</em>1}{X<em>2} = -\frac{\omega L</em>1}{\omega L<em>2} = -\frac{L</em>1}{L_2}

  • Total gain achieved with an inverting amplifier:

    AX<em>1X</em>2=1    A=L<em>2L</em>1=R<em>2R</em>1-A \cdot -\frac{X<em>1}{X</em>2} = 1 \implies A = \frac{L<em>2}{L</em>1} = \frac{R<em>2}{R</em>1}

LC Oscillator Example

  • Design a Colpitts oscillator for f0=10 kHzf_0 = 10 \text{ kHz} and A=10 V/VA = -10 \text{ V/V}.
  • A circuit diagram with components R1, R2, C1, L3, C2 and the output voltage vout is shown.