Parasitäre Oszillation

Parasitäre Schwingungen sind unbeabsichtigte, selbsterhaltende Schwingungen in elektronischen Schaltungen, die typischerweise durch unbeabsichtigte Rückkopplung in Kombination mit ausreichender Verstärkung und Phasenverschiebung in einem Verstärker verursacht werden. Sie treten am häufigsten in Hochfrequenzverstärkern ^{[ 1 ]} und Audioverstärkern ^{[ 2 ]} auf , können aber in vielen Arten analoger elektronischer Schaltungen vorkommen. Sie gehören zu den grundlegenden Problemen der Regelungstechnik . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

Parasitäre Schwingungen sind aus mehreren Gründen unerwünscht. Sie können in andere Schaltungen eingekoppelt werden oder sich als Funkwellen ausbreiten und so elektromagnetische Störungen (EMI) in anderen Geräten verursachen . In Audiosystemen können parasitäre Schwingungen als störende Geräusche in den Lautsprechern oder Kopfhörern hörbar sein. Sie führen zu Energieverschwendung und unerwünschter Erwärmung. Beispielsweise kann ein Audio-Leistungsverstärker, der in parasitäre Schwingungen gerät, genügend Leistung erzeugen, um angeschlossene Lautsprecher zu beschädigen . Eine schwingende Schaltung verstärkt nicht linear, sodass die Nutzsignale, die die Stufe durchlaufen, verzerrt werden. In digitalen Schaltungen können parasitäre Schwingungen nur bei bestimmten Logikübergängen auftreten und zu einem fehlerhaften Betrieb nachfolgender Stufen führen; beispielsweise kann eine Zählerstufe viele Störimpulse empfangen und unregelmäßig zählen.

Parasitäre Schwingungen in einer Verstärkerstufe treten auf, wenn ein Teil der Ausgangsenergie mit der korrekten Phase und Amplitude in den Eingang eingekoppelt wird, um eine positive Rückkopplung bei einer bestimmten Frequenz zu erzeugen. Die Kopplung kann direkt zwischen Eingangs- und Ausgangsverdrahtung mit Streukapazität oder Gegeninduktivität zwischen Ein- und Ausgang erfolgen. Einige Halbleiter- oder Vakuum-Elektronenbauelemente verfügen über eine ausreichende interne Kapazität, um einen Rückkopplungspfad bereitzustellen. Da Masse für Ein- und Ausgang gemeinsam ist, kann der Ausgangsstrom, der durch die Impedanz der Masseverbindung fließt, ebenfalls Signale zurück zum Eingang koppeln.

Ebenso kann die Impedanz des Netzteils zu einer Kopplung zwischen Ein- und Ausgang führen und Schwingungen verursachen. Wird ein gemeinsames Netzteil für mehrere Verstärkerstufen verwendet, kann die Versorgungsspannung mit dem sich ändernden Strom in der Ausgangsstufe variieren. Diese Änderungen der Versorgungsspannung wirken sich als positive Rückkopplung auf die Eingangsstufe aus. Ein Beispiel hierfür ist ein Transistorradio , das mit einer neuen Batterie einwandfrei funktioniert, aber pfeift oder „ motorbootartig “ klingt, wenn die Batterie schwach ist.

In Audiosystemen können parasitäre Schwingungen auftreten, wenn ein Mikrofon nahe an einem Lautsprecher platziert wird. Diese entstehen durch positive Rückkopplung vom Verstärkerausgang über den Lautsprecher zu den Schallwellen und zurück über das Mikrofon zum Verstärkereingang. Siehe Audio-Rückkopplung .

Die Regelungstechnik wurde entwickelt, um das Problem parasitärer Schwingungen in Servoregelungssystemen zu lösen – die Systeme schwingen, anstatt ihre vorgesehene Funktion zu erfüllen, beispielsweise die Drehzahlregelung in Motoren. Das Barkhausen-Stabilitätskriterium liefert die notwendige Bedingung für das Auftreten von Schwingungen: Die Schleifenverstärkung im Rückkopplungszweig, die dem Produkt aus Verstärkung des Verstärkers und Übertragungsfunktion des unbeabsichtigten Rückkopplungspfads entspricht , muss gleich eins sein, und die Phasenverschiebung im Rückkopplungszweig muss null oder ein Vielfaches von 360° (2π Radiant ) sein.

In der Praxis kann Rückkopplung über einen Frequenzbereich auftreten (z. B. den Betriebsbereich eines Verstärkers); bei verschiedenen Frequenzen kann die Phase des Verstärkers unterschiedlich sein. Wenn es eine Frequenz gibt, bei der die Rückkopplung positiv ist und die Amplitudenbedingung erfüllt ist, schwingt das System mit dieser Frequenz.

Diese Bedingungen lassen sich mathematisch mithilfe des Nyquist-Diagramms darstellen . Eine weitere Methode der Regelungstechnik verwendet Bode-Diagramme , in denen Verstärkung und Phase über der Frequenz dargestellt werden. Anhand von Bode-Diagrammen prüft der Entwicklungsingenieur, ob eine Frequenz existiert, bei der beide Bedingungen für Schwingungen erfüllt sind: Die Phase ist null ( positive Rückkopplung ) und die Schleifenverstärkung ist mindestens eins.

Wenn parasitäre Schwingungen auftreten, kann der Entwickler die verschiedenen Werkzeuge der Regelungstechnik nutzen, um die Situation zu korrigieren – die Verstärkung zu reduzieren oder die Phase bei problematischen Frequenzen zu ändern.

Zur Vermeidung parasitärer Schwingungen werden verschiedene Maßnahmen eingesetzt. Verstärkerschaltungen werden so angeordnet, dass Eingangs- und Ausgangsleitungen nicht nebeneinander liegen, um kapazitive oder induktive Kopplung zu verhindern. Empfindliche Schaltungsteile können mit einer Metallabschirmung versehen werden. An den Stromversorgungsanschlüssen können Bypass-Kondensatoren platziert werden, um einen niederohmigen Pfad für Wechselstromsignale bereitzustellen und die Kopplung zwischen den Stufen über die Stromversorgung zu verhindern. Bei Verwendung von Leiterplatten werden Hoch- und Niedrigleistungsstufen getrennt und die Masseleitungen so angeordnet, dass keine hohen Ströme in gemeinsam genutzten Bereichen der Masseleitung fließen. In manchen Fällen lässt sich das Problem nur durch die Einführung eines weiteren Rückkopplungsneutralisierungsnetzwerks lösen , das so berechnet und angepasst wird, dass die negative Rückkopplung innerhalb des Durchlassbereichs des Verstärkers eliminiert wird. Ein klassisches Beispiel ist die Neutrodyn- Schaltung, die in abgestimmten Hochfrequenzempfängern verwendet wird .

• Zugunglück in der Washingtoner U-Bahn im Juni 2009 , tödlicher Unfall verursacht durch parasitäre Schwingungen in Signalkreisen ^{[ 6 ]}