Ein Verstärker dient üblicherweise dazu, die Leistung eines Eingangssignal linear zu verstärken. Das bedeutet, Strom und Spannung werden um den selben Faktor f vergrößert. Die Leistungsverstärkung ist also f2. Damit bleibt die Impedanz konstant.
Es gibt Sonderformen bei denen nur Spannung oder Strom verstärkt werden. Da dabei natürlich die Impedanz verändert wird, werden sie auch als Impedanzwandler bezeichnet. Sicherlich bekannt ist z.B. der Audio-Verstärker der aus einem NF-Signal mit einer Impedanz von typischerweise einigen kΩ das Signal für die Lautsprecher mit einer Impedanz von wenigen Ω erzeugt. Eine andere Bauform ist der logarithmische Messverstärker, der ein Signal mit einer Stärke über mehrere Dekaden für eine einfache Anzeige umformt.
Eine wichtige Eigenschaft des Verstärkers ist noch, über welchen Frequenzbereich er dieses definierte Verhalten zeigt. Das gewünschte Verhalten ist, dass er außerhalb des benötigten Frequenzbereichs keine Verstärkung hat.
Das Eingangssignal des Verstärkers kommt üblicherweise von einer unabhängigen Quelle. Nun kann auch der Ausgang des Verstärkers wieder auf den Eingang wirken. Das kann unbeabsichtigt passieren oder auch gewünscht sein. Ein sarkastisches Sprichwort sagt
Verstärker schwingen immer, Oszillatoren nie.
Oszillatoren und Verstärker sind sich in der Tat recht ähnlich. Verstärker sind sie beide. Im Oszillator dient der “Verstärker-Aspekt” dazu, Verluste auszugleichen; zum einen die internen, also die durch Aufbau und Funktionsweise begründeten; zum anderen die Verluste durch die abgegebene Leistung.
Wann wird nun der Verstärker zum Oszillator? Zum einen wie schon gesagt, wenn der Ausgang wieder auf den Eingang wirkt. Zusätzlich muss das Signal bei jedem Durchlauf durch den Verstärker sich konstruktiv, also “addierend”, mit dem vorigen Signal überlagern. Das bedeutet nun, dass die Phasenverschiebung bei einem Durchlauf 0 sein muss. Das wird nun in der Praxis so direkt natürlich nicht gelingen, weil es immer eine Verzögerungszeit gibt. Aber wir wollen diese Phasenverschiebung ja auch nur bei einer Frequenz haben; eben der Oszillator-Frequenz. Und dann ist eine Phasenverschiebung um 2 π bzw. 360° effektiv das gleiche wie 0. Der “Trick” besteht also darin, im Verstärker genau so eine Phasenverschiebung zu erreichen. Das macht man mit so genannten frequenzbestimmenden Bauteilen. Üblicherweise werden das LC-Schwingkreise oder Quarze sein. Aber auch RC-Verzögerungsglieder sind möglich.
Umgekehrt wird ein Verstärker stabiler, also unempfindlicher gegen Oszillation, wenn er in seinem Frequenzbereich eben nirgends eine effektive Phasenverschiebung von 0 hat. Das wird um so schwerer, je größer sein Frequenzbereich ist. Die andere Möglichkeit ist offensichtlich, die Rückwirkung des Ausgangs auf dein Eingang zu verhindern.
Ein weiteres Problem bei einem Oszillator ist, dass die frequenzbestimmenden Bauteile die effektive Phasenverschiebung von 0 nicht nur bei einer Frequenz erzeugen. Er kann also auch auf anderen Frequenzen schwingen. Bei einem Quarzoszillator werden das meist Oberschwingungen sein. Bei LC-Schwingkreise sind es eher andere, unabhängige Frequenzen.
Eine besondere Schwierigkeit ist noch die Schwingung sinusförmig zu erhalten. Es passiert leicht dass die Verstärkung zu hoch ist. Der Verstärker begrenzt dann und wir erhalten eine rechteckige Schwingung oder der Verstärker geht völlig in die Begrenzung und schwingt gar nicht. Selbst wenn das ein Mal alles passend eingestellt ist, können Schwankungen von Betriebsspannung oder Temperatur wieder alles verstellen. Schließlich muss noch sichergestellt sein, dass der Oszillator auch anschwingt beim Einschalten.
Verstärker und Oszillatoren sauber zu designen ist eine spannende Aufgabe und es gibt viel zu berücksichtigen
Disziplin
Disziplin ist manchmal wichtig. Und so kann man auch Oszillatoren disziplinieren. Darunter versteht man die automatische Anpassung an eine besonders präzise Quelle. Oft braucht man einen variablen Oszillator, also einen VFO. Um nun seine Frequenz trotzdem definiert einstellen zu können, vergleicht man seine Frequenz über variable Frequenzteiler mit einem festen Oszillator, der typischerweise mit einem Quarz festgelegt ist. Mit einer geeigneten Schaltung misst man die Phasenabweichung zwischen den Signalen nach den Frequenzteilern und korrigiert damit die Frequenz des VFO. Diese Schaltung wird Phase-Locked-Loop PLL genannt. Am VFO sind damit alle Frequenzen einstellbar, die sich als rationales Verhältnis mit den Frequenzteilern einstellen lassen.
Nun kann es sein, dass ein normaler Quarz in der Genauigkeit nicht ausreicht. Eine der wichtigsten Größen, die einen Quarz noch beeinflussen können, ist die Temperatur. Eine beliebte Möglichkeit ist, den Quarz in einem sogenannten Ofen zu betreiben. Das ist ein kleines Gehäuse, in dem die Temperatur mit einer Regelung konstant gehalten wird. Diese Schaltung wird Oven-Controlled X-Oscillator OCXO genannt, wobei das X aus der im amerikanischen üblichen Buchstaben X für Quarze als Bauteil kommt.
Eine andere Möglichkeit ist, das Temperaturverhalten des Quarzes zu bestimmen und den Kondensator mit einer variablen Kapazität in Abhängigkeit von der Temperatur abzustimmen, sodass die Frequenz konstant bleibt. Diese Schaltung wird Temperatur-Compensated X-Oscillator TCXO genannt. TCXO müssen nicht aufheizen, sind also schneller betriebsbereit und sind typischerweise sparsamer.
Sollte ein Quarz dann immer noch nicht ausreichen, kann man sogenannte Atomuhren nutzen. Diese sind recht groß und selbst gebraucht noch teuer. Eine bequeme Möglichkeit ist, GPS-Satelliten zu benutzen. Diese haben alle Atomuhren an Bord und ihre Sendefrequenz ist daraus abgeleitet. Man verliert durch die Signallaufzeit etwas Genauigkeit und man braucht natürlich die Möglichkeit eine GPS-Antenne mit „Sicht“ auf die Satelliten zu betreiben, aber man erhält relativ günstig eine sehr genaue Frequenzbasis. Hier spricht man dann von einem GPS-disziplinierten Oszillator GPSDO.
Schließlich gibt es noch den „Klassiker“: Die Zeitzeichensender wie DCF77. Nicht nur die übermittelte Zeit ist hochpräzise, quasi die Definition von Zeit, sondern auch hier ist die Sendefrequenz direkt aus den Atomuhren abgeleitet und kann zur Disziplinierung eines Oszillators genutzt werden. Die Atomuhren sind hier sogar besonders präzise Cäsium-Uhren im Gegensatz zu den etwas einfacheren Rubidium-Uhren in den GPS-Satelliten. Dafür sind aber die Abweichungen durch die Ausbreitungsbedingungen heftiger.