Kondenzátorok és induktivitások kombinálásával rezonáns áramkörök hozhatók létre, amelyek kifejezett frekvenciajellemzőkkel rendelkeznek. Ezen eszközök kapacitásának és induktivitásának mennyisége határozza meg mind a rezonanciafrekvenciát, mind a válaszgörbe élességét (úgynevezett Q), amelyet ezek az áramkörök mutatnak.

Ha a kapacitás és az induktivitás párhuzamosan van, rezonancia esetén a párhuzamos LC áramkör nyitott áramkörként viselkedik, az áramkör áramát az áramkörben lévő bármely ellenállás határozza meg. Így a párhuzamos rezonanciaáramkör teljes impedanciája rezonanciánál csak az ellenállás értéke lesz.

A rezonáns áramköröknek számos alkalmazása van, többek között a rádióadók és -vevők szelektív hangolása és a nem kívánt felharmonikusok elnyomása.

Az LC-oszcillátor tárgyalása során a párhuzamos rezonancia az érdekes. A párhuzamos elrendezésű induktort és kondenzátort tartályáramkörnek nevezzük. A rezonancia állapota akkor áll be az áramkörben, ha
XC = XL vagy 1/2πfC = 2πfL

Ahol f a frekvencia, C a kapacitás és L az induktivitás.

A rezonancia akkor következik be, ha az induktív és a kapacitív reaktancia egyenlő, vagyis 2πfL = 1/2πfC. Ez csak egy bizonyos frekvencián történhet meg. Az egyenlet egyszerűsíthető:

Ezekből az információkból az áramkör kapacitív és induktív paramétereinek ismeretében meg lehet találni a rezonanciafrekvenciát. Alternatívaként, ha egy adott rezonanciafrekvenciát szeretnénk, az L és C értékeket is meg lehet választani.

A rezonáns áramkörben a Q a minőséget jelöli. A Q a rezonáns áramkörben tárolt csúcs (azaz maximális) energia az egy ciklus során disszipált energiához viszonyítva. Ez az fr rezonanciafrekvencia és a Bw sávszélesség hányadosa. Mivel a sávszélesség a nevezőben van, egy nagyobb Q-val rendelkező áramkörnek kisebb a sávszélessége: Q = fr/Bw

Meg kell azonban jegyezni, hogy egyes alkalmazásokban a rezonáns áramkör Q-értékét szándékosan csökkentik. Ezt egy “Q elrontó” ellenállás bevezetésével lehet megtenni. Amellett, hogy a Q fontos az elektronikus áramkörökben, az oszcilláló mechanikai, akusztikai, optikai és egyéb rendszerekben is lényeges.

Általánosságban egy oszcillátor egy elektronikus áramkörben az egyenáramú tápfeszültséget váltakozó áramú kimenetté alakítja, amely különböző hullámformákból, frekvenciákból, amplitúdókból és munkaciklusokból állhat. Vagy a kimenet lehet egy alap szinuszhullám, más harmonikus tartalom nélkül.

Az LC-oszcillátor, az elektronikus oszcillátor egyik altípusa, gyakran látható rádiófrekvenciás alkalmazásokban, mivel kiváló minőségű kimenettel és egyszerű felépítéssel rendelkezik. Ez egy pozitív (regeneratív) visszacsatolást tartalmazó erősítőből áll, egy megfelelő Q paraméterű LC-rezonancia-körrel együtt.

Az erősítő építésénél az a cél, hogy olyan áramkört tervezzünk, amely nem megy rezgésbe. Egy nem oszcillátorként való működésre szánt erősítőben korlátozott mennyiségű pozitív visszacsatolás használható az erősítés növelésére. A visszacsatolással sorba állítható egy változó ellenállás, amely megakadályozza, hogy az áramkör oszcillációba kerüljön. PA-rendszerrel ellátott előadóteremben a hangszóró és a mikrofon között elkülönítést kell fenntartani a visszacsatolás szabályozásához és az oszcilláció megakadályozásához. A mikrofon és a hangszóró közötti távolság ellenállásként viselkedik a hangfrekvenciás hullámok számára.

Az LC oszcillátorok (ellentétben az RC oszcillátorokkal, amelyek nem rezonánsak és kizárólag egy időállandóra épülnek) a kapacitív és induktív reaktanciák kölcsönhatásától függően egy adott frekvencián való csengésre hangolódnak. Ezek analógok az elektromechanikus rezonátorokkal, például a kvarckristályos oszcillátorokkal.

Az oszcillátoráramkör rezonanciafrekvenciájának mérési folyamata egy RF jelgenerátornak az áramkörhöz való csatlakoztatásával kezdődik. A generátor és az oszcillátor közötti csatolásnak lazának kell lennie. Ellenkező esetben a generátor kimeneti ellenállása terhelheti az áramkört, és csökkentheti annak Q-értékét.

A következő lépésben a generátort arra a frekvenciára állítjuk, amelyen a Q-értéket mérni akarjuk. Az oszcillátoráramkört úgy állítjuk be (gyakran a hangolókondenzátor elforgatásával), hogy a tartályáramkörhöz csatlakoztatott szkópos szondán maximális feszültséget lássunk. Az áramkör most rezonanciában van, ez a frekvencia az áramkör rezonanciafrekvenciája.

Ezután megmérjük az oszcillátor áramkör feszültségét a rezonanciafrekvencián. A generátor frekvenciáját egy kicsit a rezonancia felett és alatt változtatjuk, és meghatározzuk azt a két frekvenciát, ahol az áramkörön a feszültség 0,707-szerese a rezonancia alatti értéknek. A rezonancia 0,707-szeresénél lévő feszültség a -3 dB pont.

Az oszcillátor sávszélessége az e két 0,707-es pontnak megfelelő frekvenciák közötti különbség. Ekkor a Q a rezonanciafrekvencia osztva ezzel a sávszélességgel.

A vizsgálóberendezés jellemzően egy jelgenerátort, egy csatolótekercset, egy szkópot és egy 1:100 szondát tartalmaz. A jelgenerátor kimenete a kb. 50 fordulattal rendelkező csatolótekercshez csatlakozik. A megahertzes tartományba eső frekvenciák esetén a csatolótekercset kb. 20 cm-re helyezzük el az oszcillátor áramkörtől. A 20 cm-es távolság célja, hogy laza csatolás legyen a tekercs és az oszcillátor között.

Ezután csatlakoztatjuk a szondát az oszcillátor áramkörhöz. A szonda földelőcsatlakozásának a hangoló kondenzátor házához kell csatlakoznia. A szonda csatlakozik az oszcilloszkóphoz. A szonda az áramkör kis terhelését képezi, így a Q jellemzően nem esik sokat. Léteznek 1:1 és 1:10 szondák is, de ezek terhelhetik az oszcillátor áramkört. Az 1:100-as szonda bemeneti ellenállása jellemzően 100 MΩ, bemeneti kapacitása pedig 4 pF.

A szonda 100-szoros csillapítása miatt a jelgenerátor kimenetét általában meglehetősen magasra kell állítani.

A sweep-generátor egyszerűsítheti a mérés néhány szempontját. A “sweep kimenet” az oszcilloszkóp X bemenetéhez csatlakozik, amikor az oszcilloszkóp X-Y üzemmódban van. Most a szkóp nyomvonala balról jobbra halad, a bal oldal a kezdőfrekvencia, a jobb oldal pedig a zárófrekvencia. Jó kiindulási pont, ha a sweep frekvenciát kb. 10 Hertz-re állítjuk.

Az oszcilloszkóp Y bemenetét az 1:100-as szondán keresztül az oszcillátorhoz csatlakoztatjuk. A sweepgenerátor RF kimenete a csatolótekercshez csatlakozik, amelyet az oszcillátor tekercsétől kb. 20 cm-re helyezünk el.

A hangolókondenzátort elforgathatjuk, és az oszcillátor görbéjét kapjuk az oszcilloszkóp képernyőjén. A sweep-generátor amplitúdóállító gombjával állítjuk be a görbe csúcsának magasságát. Ennek a módszernek nagy előnye, hogy az oszcillátor áramkör rezonanciafrekvenciájának változása közvetlenül látható a képernyőn. Emellett a Q-ban bekövetkező változások is nyilvánvalóvá válnak, mivel a csúcs magassága változik.

Az LC oszcillátoroknak több altípusa létezik:

– Az 1912-ben Edwin Armstrong által feltalált Armstrong-oszcillátor volt az első elektronikus oszcillátor, szemben a mechanikus oszcillátorokkal, például az ingával, amelyek már régóta léteztek. Az Armstrong-oszcillátort eredetileg vákuumcsöves adókban használták. Később a regeneratív vevőkészülékben szolgált, ahol az antennából érkező rádiófrekvenciás jelet egy segédtekercs segítségével az LC-induktivitásba kapcsolták. A tekercset úgy lehetett beállítani, hogy az áramkör ne rezegjen. Ugyanez az áramkör működött az RF-jel demodulálására is.

– Az Edwin Colpitts által 1918-ban feltalált Colpitts-oszcillátor a visszacsatolást egy középre csapolt kapacitásnak tekinthetjük. Ez valójában egy feszültségosztó, amely két sorba kapcsolt kondenzátorból áll. Az aktív eszköz, egy erősítő, lehet bipoláris átmenetű tranzisztor, térhatású tranzisztor, műveleti erősítő vagy vákuumcső. A kimenet egy hangolt LC áramkörön keresztül csatlakozik vissza a bemenethez, amely egy sávszűrőt alkot, amely a kívánt frekvencián cseng.

A Colpitts-oszcillátor változó frekvenciájú oszcillátorként működhet – mint egy szuperheterodin vevőkészülékben vagy spektrumanalizátorban -, ha az induktort változtathatóvá teszik. Ez az egyik kondenzátor hangolása helyett vagy az induktorral sorba kapcsolt külön változó kondenzátor bevezetésével történik.

– A Ralph Hartley által 1915-ben feltalált Hartley-oszcillátor a Colpitts-oszcillátor tükörképe. A különbség az, hogy ahelyett, hogy egy középpontba helyezett kapacitást használna egy induktorral együtt, egy középpontba helyezett induktivitást alkalmaz egy kondenzátorral együtt. A visszacsatolási jel a középre kötött induktivitásból vagy két induktivitás közötti soros kapcsolásból származik.

Ezeknek az induktivitásoknak nem kell kölcsönösen összekapcsoltnak lenniük, így egyetlen középre kötött eszköz helyett két külön sorba kapcsolt tekercsből is állhatnak. A középre kötött tekerccsel rendelkező változatban az induktivitás nagyobb, mivel a két szegmens mágnesesen összekapcsolt.

A Hartley-oszcillátorban a frekvencia könnyen beállítható egy változtatható kondenzátor segítségével. Az áramkör viszonylag egyszerű, alacsony alkatrészszámmal. A kondenzátor helyettesítésével egy kvarckristály-rezonátorral nagy frekvenciastabilitású oszcillátor építhető.

– A Clapp-oszcillátor, egy másik LC-eszköz, hasonlóan egy tranzisztorból vagy vákuumcsőből áll, amelynek visszacsatolási hálózata az induktivitás és a kapacitás kölcsönhatásán alapul, és a kívánt működési frekvenciára van beállítva. James Clapp találta fel 1948-ban. Hasonlít a Colpitts-áramkörhöz, egy harmadik kondenzátorral, amelyet az induktorral sorba helyeztek. A Colpitts-oszcillátorhoz képest előrelépés, amelyben bizonyos frekvenciákon nem léphet fel oszcilláció, ami hézagokat képez a spektrumban.

– A Peltz-oszcillátor abban különbözik a Colpitts-, Clapp- és Hartley-oszcillátortól, hogy egyetlen erősítő eszköz helyett két tranzisztort használ. A többi oszcillátorhoz hasonlóan a cél az, hogy a rezonanciafrekvencián egységnél nagyobb kombinált erősítést biztosítson, hogy az oszcilláció fenntartható legyen.

Az egyik tranzisztor közös bázisú erősítőként, a másik pedig emitterkövetőként konfigurálható. Az LC-tartály, minimális impedanciával a rezonanciafrekvencián, nagy terhelést jelent a kollektornak. Az emitterkövető kimenete, amely a közös bázisú tranzisztor bemenetére van visszakötve, fenntartja az oszcillációt a Peltz-áramkörben.

Az elektromosan hangolható LC-oszcillátor felépítéséhez egy varaktor (feszültségváltozó kondenzátor) kerül az LC-áramkörbe. A varactor egy fordított előfeszítésű dióda. Bármely PN-csomópont kapacitása, mint egy diódában, a fordított előfeszítés növekedésével csökken. Pontosabban, a fordított előfeszítés mértéke határozza meg a félvezetőn belüli kimerülési zóna vastagságát. A kimerülési zóna vastagsága arányos a diódát fordítva előfeszítő feszültség négyzetgyökével, és a kapacitás fordítottan arányos ezzel a vastagsággal, és így fordítottan arányos az alkalmazott feszültség négyzetgyökével.

Egy egyszerű egyenáramú tápegység kimenete egy sor ellenálláson vagy változó ellenálláson keresztül kapcsolható az oszcillátor hangolásához. A varaktorokat úgy tervezték, hogy hatékonyan kihasználják ezt a tulajdonságot.

A bármilyen mértékű rugalmassággal rendelkező szilárd test valamilyen mértékben rezegni fog, ha mechanikai energiát alkalmazunk. Erre példa egy kalapáccsal megütött gong. Ha folyamatos csengésre lehet bírni, akkor rezonancia-körként működhet egy elektronikus oszcillátorban.

A kvarckristály kiválóan alkalmas erre a szerepre, mert rezonanciafrekvenciáját tekintve rendkívül stabil. A rezonanciafrekvencia a kristály méretétől és alakjától függ. A 30 év alatt akár egy másodperces pontossággal a kvarcoszcillátorok felváltották az órákban az ingákat, és évekig felülmúlhatatlan pontosságúak voltak, egészen az 1950-es évekig, amikor az atomórák megjelentek a képben.

A kvarckristály mint rezonátor rendelkezik az inverz elektromosság csodálatos erényével. Ez azt jelenti, hogy ha megfelelően vágják, földelik, szerelik és csatlakozókkal látják el, akkor egy alkalmazott feszültségre úgy reagál, hogy kissé megváltoztatja az alakját. Amikor a feszültséget megszüntetjük, visszatér az eredeti térbeli konfigurációjához, és olyan feszültséget generál, amely a csatlakozókon mérhető. Ez a rezgés képezi a rezonanciafrekvenciáját.

A kvarckristály egy másik erénye, hogy olcsó, ezért széles körben használják számos alkalmazásban, többek között a világ legjobb oszcilloszkópjaiban, spektrumanalizátoraiban és tetszőleges frekvenciagenerátoraiban.