01 / 39
COMMUNICATION SYSTEMS · LESSON 03

מתנדיםמשובותהודה

OSCILLATORS · FEEDBACK · RESONANCE

כיצד מעגל מייצר אות סינוס ושומר על התדר ועל התנופה

מרצה: נועם שפי
משוב + תהודה
t
מגבר Aמשוב βAβ = 1 בתדר f₀
RECAP · LESSONS 01–02

מפת המושגים שכבר למדנו

סימוןמושגתפקיד / משמעות
Sמקור מידעיוצר את ההודעה שרוצים להעביר.
Txמשדרמעבד את המידע ומכין אות מתאים לתווך.
Chערוץ / תווךהדרך שבה האות עובר; מוסיפה הנחתה ורעש.
Rxמקלטקולט את האות ומחלץ ממנו את המידע.
Nרעשאות לא רצוי שמתווסף בדרך.
סימוןמושגמה הוא מתאר?
Aתנופהגובה האות — ערך השיא שלו.
Tזמן מחזורהזמן למחזור אחד: T=1/f.
fתדרמספר המחזורים בשנייה, ביחידות Hz.
φמופענקודת ההתחלה של האות בתוך המחזור.
f₀תדר יסודיהתדר הנמוך בסדרה; ההרמוניות הן 2f₀,3f₀…
λאורך גלהמרחק של מחזור במרחב: λ=v/f.
BWרוחב פסתחום התדרים: fmax − fmin.
עד כאן תיארנו את המערכת ואת האות. היום נשאל: מי מייצר את הסינוס המחזורי?
TODAY / 135 MINUTES

איך מגבר הופך למתנד?

מגבר Aמשתמש באנרגיית DC כדי לפצות על ההפסדים
+
רשת משוב β(f)מחזירה חלק מהמוצא ובוחרת את f0
+
תנאי ברקהאוזן|Aβ|=1 ומופע של סיבוב שלם
35

למה ואיך?

תפקיד המתנד, DC→AC, מגבר ורשת משוב

שעה א׳
55

מתי נוצרת תנודה?

ברקהאוזן, הגבר חוג, מופע, התנעה ויציבות

LIVE SIM
45

איך מתכננים?

קולפיץ, הרטלי, גשר ויין ותרגיל מלא

שעה ג׳
THE MISSING BLOCK

מאיפה מגיע גל הנושא?

ראינו את הסינוס. עכשיו נבנה את המכונה שמייצרת אותו.

LESSON 02 → LESSON 03

אותו סינוס — שאלה חדשה

vout(t) = A0 · cos(2πf0t + φ)
בשיעור 2 · ניתוח האות

קיבלנו סינוס קיים

קראנו ממנו תנופה, תדר, זמן מחזור ומופע — בזמן ובתדר.

השאלה הייתה: איך האות נראה?

בשיעור 3 · יצירת האות

נבנה את המקור לסינוס

המתנד ממיר אנרגיית DC לסינוס, ללא מחולל אות חיצוני רציף, ושומר על A₀ ועל f₀.

השאלה: מי מייצר אותו?

A₀תנופת השיא
[V]
f₀תדר התנודה
[Hz]
tהזמן
[s]
φמופע התחלתי
[° / rad]
WHY IT MATTERS

אותו מתנד, שלושה שימושים במערכת

המכנה המשותף: המתנד מספק אות מחזורי פנימי בתדר ידוע. המיקום במערכת קובע כיצד משתמשים בו.
מס׳היכן?מה המתנד מספק?למה המערכת צריכה אותו?
01במשדרגל נושא סינוסואידלי בתדר f0על גל הנושא מרכיבים את המידע לפני השידור.
02במקלטאות של מתנד מקומי LOמערבבים אותו עם האות שנקלט כדי להמיר RF לתדר ביניים IF.
03בתזמוןאות מחזורי שממנו מפיקים שעוןהשעון קובע מתי לדגום ומסמן את גבולות הביטים.
מכאן ממשיכים לשאלה אחת: כיצד מעגל מייצר את האות המחזורי ושומר עליו ללא מקור אות חיצוני?
OPEN THE BOX / INTERACTIVE

איך סינוס ממשיך להתקיים בלי מקור חיצוני?

האות עובר דרך מגבר, מגיע למוצא, עובר ברשת משוב וחוזר לכניסה 1 · התחלהxᵢרעש זעיר 2 · מגברAמגדיל את האות 3 · מוצאxout = A · xiהסינוס המוגבר 4 · רשת משובβמחזירה חלק מהמוצא 5 · אות חוזרxf = β · xoutחוזר אל הכניסה סיבוב אחד בחוג

מתחילים מרעש חשמלי זעיר שקיים בכל מעגל בזמן ההדלקה.

FROM THE DIAGRAM TO THE EQUATION

מה קורה לאות בסיבוב אחד?

1 · הגבר המגבר — A
xout = A · xi
אות הכניסה מוכפל בהגבר A.
xi — אות הכניסה למגבר
A — הגבר המגבר: פי כמה המגבר מגדיל
xout — אות המוצא מהמגבר
2 · מקדם המשוב — β
xf = β · xout
⇓ מציבים את xout
xf =· xi
β — מקדם המשוב: איזה חלק מאות המוצא מוחזר לכניסה
xf — אות המשוב: האות שיוצא מרשת המשוב וחוזר למגבר
3 · הגבר החוג — Aβ
xf = xi
ולכן
= 1
האות שחוזר צריך להיות זהה לאות שהתחיל את הסיבוב.
— הגבר החוג: השינוי הכולל באות לאחר מעבר במגבר וברשת המשוב
אבל “זהה” פירושו שני דברים: אותו גודל וגם אותו מופע.
BARKHAUSEN · IN PLAIN LANGUAGE

חוק ברקהאוזן — בפשטות

אחרי סיבוב מלא בחוג, האות שחוזר לכניסה חייב להיות בדיוק אותו אות.
01

אותו גודל

אם נכנס גל בגובה 1 V, צריך לחזור גל בגובה 1 V.

|Aβ| = 1
|Aβ| < 1האות דועך
|Aβ| > 1האות גדל עד עיוות
02

אותו תזמון

שיא צריך לחזור על שיא ושפל על שפל כדי שהאותות יחזקו זה את זה.

∠Aβ = 0° / 360°
∠Aβ = 180°שיא חוזר על שפל והאות נחלש
אם שתי הבדיקות מתקיימות — כל סיבוב מזין את הסיבוב הבא, והתנודה נשמרת.
BARKHAUSEN · CONDITION 01

תנאי הגודל: כמה מהאות חוזר?

|A(f0) · β(f0)| = 1

מה אומרים הסימנים?

A הוא הגבר המגבר. β הוא החלק שחוזר דרך רשת המשוב.

|Aβ| הוא גודל הגבר החוג: היחס בין גובה האות שחזר לבין גובה האות בתחילת הסיבוב.

A=4, β=0.25

לכן |Aβ|=1.

שלושת המצבים

|Aβ| < 1חוזר פחות והאות דועך
|Aβ| = 1אותו גודל נשמר
|Aβ| > 1האות גדל עד שמנגנון ייצוב מגביל אותו
|A|, |β|, |Aβ|גדלים ולכן אינם שליליים
xi, xout, xfמתחים רגעיים ולכן יכולים להיות חיוביים או שליליים
הסימן אינו המופעאת המופע בודקים בשקף הבא
BARKHAUSEN · CONDITION 02

תנאי המופע: האם האות מחזק את עצמו?

∠A(f0) + ∠β(f0) =mod 360°
0° / 360°

אותו תזמון

שיא חוזר על שיא ושפל חוזר על שפל. האות החוזר מתחבר לאות הקיים ומחזק אותו.

משוב תומך בתנודה
180°

תזמון הפוך

שיא חוזר על שפל. האות החוזר מתנגד לאות הקיים ומחליש אותו.

התנודה אינה נשמרת
רק כאשר הגודל שווה ל־1 וגם המופע חוזר לאותו כיוון, מתקיימים תנאי ברקהאוזן.
INTERACTIVE / LOOP GAIN

מה עושה לגל?

3.00
0.33
Aβ = 0.99
תנודה יציבה
REAL CIRCUIT

התנעה ≠ מצב מתמיד

<1

דועך

האות חוזר קטן יותר בכל סיבוב ולבסוף נעלם.

≈1

נשמר

במצב יציב ההפסדים מפוצים והתנופה נשארת קבועה.

>1

מתעורר

רעש זעיר גדל. ייצוב או אי־ליניאריות מחזירים את החוג ל־1.

כלל מעשי: מתכננים |Aβ| מעט גדול מ־1 בהתנעה — לא הרבה.

INTERACTIVE / PHASE

מתי המשוב באמת חיובי?

באותו מופע — חיזוק

תנאי המופע מתקיים כאשר הכיוון לאחר סיבוב מלא זהה: 0°, 360°, 720°…

ב־180° המשוב מתנגד לאות במקום לתמוך בו.

FROM LESSON 02 TO 03

האות מוכר. המקור חדש.

vout(t) = A0 · cos0t + φ)
voutהמתח הרגעי
A0תנופת השיא
ω02πf0
tזמן בשניות
φמופע התחלתי

שיעור 2

קראנו את A₀, f₀, φ בזמן ובתדר.

שיעור 3

נבין איך רכיבי המעגל קובעים את f₀ ושומרים על A₀.

OSCILLATOR FAMILIES

אותו מגבר, שלוש רשתות משוב

הרכיב המשותף: מגבר A

מקבל אנרגיה מספק ה־DC ומחזיר לאות את האנרגיה שאבדה בכל סיבוב.

הרכיב שמשתנה: רשת β(f)

בוחרת את התדר היסודי f0 וקובעת איזה חלק מהמוצא יחזור לכניסה.

C C

מתנד קולפיץ

L, C1, C2 בוחרים את f0. שני הקבלים יוצרים את מחלק המשוב.

RF
L L

מתנד הרטלי

C, L1, L2 בוחרים את f0. שני הסלילים יוצרים את מחלק המשוב.

TUNABLE RF
R C

מתנד גשר ויין

רשת RC בוחרת את f0 ומחזירה בתדר זה משוב ללא הסטת מופע.

AUDIO
שם המתנד נקבע לפי רשת המשוב. המגבר נשאר חלק הכרחי בכל אחד מהמעגלים.
FOUNDATION / BEFORE COLPITTS

קבלים בטור ובמקביל

חיבור בטור: מסלול יחיד

ABC₁C₂צומת אמצעי
Ceq = C1C2 / (C1+C2)
המטען שווה
q1=q2
המתחים מתחברים
V=V1+V2

בדיקה: Ceq קטן מן הקבל הקטן ביותר.

חיבור במקביל: אותם שני צמתים

ABC₁C₂
Ceq = C1 + C2
המתח שווה
V1=V2
המטענים מתחברים
q=q1+q2

בדיקה: Ceq גדול מכל קבל בנפרד.

בקולפיץ משתמשים בחיבור בטור: C1 ו־C2 קובעים את Ceq, והצומת האמצעי מחזיר משוב למגבר.
COLPITTS OSCILLATOR

מתנד קולפיץ: מבנה ואופן פעולה

ספק מתח ישר מזין את המגבר, המגבר מזין את רשת התהודה, והצומת בין הקבלים מחזיר משוב למגבר VCCDCאנרגיה מגברA voutאות AC L C1C2 משוב β לכניסהרשת התהודה בוחרת f₀

כיצד נוצרת התנודה?

  1. התחלה: רעש חשמלי זעיר מופיע עם הדלקת המעגל.
  2. תהודה: האנרגיה עוברת בין הקבלים C1,C2 לבין הסליל L, ונוצר גל סינוס בתדר f0.
  3. הפסדים: התנגדות הרכיבים מקטינה את התנופה בכל מחזור.
  4. משוב חיובי: המחלק הקיבולי מחזיר חלק מהאות למגבר, והמגבר משלים את האנרגיה שאבדה.
אין אות כניסה חיצוני. ספק ה־DC מספק את האנרגיה, ורשת LC קובעת את התדר.
COLPITTS OSCILLATOR · FREQUENCY

מתנד קולפיץ

שלב 1 · הקיבול השקול של שני הקבלים בטור
CT ≡ Ceq = C1·C2C1+C2
שלב 2 · תדר התנודה של המתנד
f0 = 12π√(L·Ceq)

כיצד מחשבים את f0?

  1. מחשבים את Ceq מתוך C1 ו־C2.
  2. ממירים יחידות: L בהנרי והקיבול בפרד.
  3. מציבים את L ואת Ceq בנוסחת התדר.
f0 הוא תדר התנודה שהמתנד מייצר

יחידות: H, F, Hz

COLPITTS OSCILLATOR · INTERACTIVE

מתנד קולפיץ

1 · מחשבים קיבול שקולCeq = C1·C2C1+C2
2 · מחשבים את תדר המתנדf0 = 12π√(L·Ceq)
10.0
51
51
9.97 MHz

Ceq = 25.50 pF

בתחום מכשיר הקשר: 8–12 MHz
FOUNDATION / BEFORE HARTLEY

סלילים בטור ובמקביל

חיבור בטור: מסלול זרם יחיד

ABL₁L₂
Leq = L1 + L2
הזרם זהה
I1=I2
המתחים מתחברים
V=V1+V2

בדיקה: Leq גדול מכל סליל בנפרד.

חיבור במקביל: אותם שני צמתים

ABL₁L₂
1Leq = 1L1 + 1L2
המתח זהה
V1=V2
הזרמים מתחברים
I=I1+I2

בדיקה: Leq קטן מן הסליל הקטן ביותר.

במתנד הרטלי משתמשים בשני חלקי סליל בטור. נקודת החיבור ביניהם יוצרת מחלק השראותי למשוב.
HARTLEY OSCILLATOR

מתנד הרטלי: מבנה ואופן פעולה

CL₁L₂נקודת משובAVCCC עם L₁+L₂ קובעים את f₀

כיצד נוצרת התנודה?

  1. התחלה: רעש חשמלי זעיר מופיע עם ההדלקה.
  2. תהודה: האנרגיה עוברת בין הקבל C לבין L1+L2.
  3. משוב: נקודת החיבור בין הסלילים מחזירה חלק מהאות למגבר.
  4. שמירת התנודה: המגבר משתמש באנרגיית DC כדי לפצות על ההפסדים.
קולפיץ משתמש במחלק קיבולי. הרטלי משתמש במחלק השראותי.
HARTLEY OSCILLATOR · FREQUENCY

מתנד הרטלי

שלב 1 · השראות שקולה של שני סלילים בטור
Leq = L1 + L2
שלב 2 · תדר התנודה של המתנד
f0 = 12π√(C·Leq)

כיצד מחשבים את f0?

  1. מחשבים Leq=L1+L2.
  2. ממירים את ההשראות להנרי ואת הקיבול לפרד.
  3. מציבים את Leq ואת C בנוסחת התדר.
f0 הוא תדר התנודה שהמתנד מייצר

יחידות: H, F, Hz

HARTLEY OSCILLATOR · INTERACTIVE

מתנד הרטלי

1 · מחשבים השראות שקולהLeq = L1 + L2
2 · מחשבים את תדר המתנדf0 = 12π√(C·Leq)
5.0
5.0
100
5.03 MHz
שנו רכיב אחד בלבד — ונמקו לפני המדידה
DESIGN DECISION

קולפיץ או הרטלי?

מאפייןקולפיץהרטלי
רשת התהודהL + C₁ + C₂C + L₁ + L₂
מחלק המשובקיבוליהשראותי
יתרון טיפוסייציבות טובה בתדר גבוה; קבלים מדויקים ונוחיםכוונון נוח בעזרת השראות; מבנה אינטואיטיבי
חיסרון טיפוסיקיבולים טפיליים משפיעים בתדר גבוה מאודסלילים גדולים/יקרים יותר ורגישים לצימוד ושדות
טריק זיכרון2C2L
QUICK CHECK / OSCILLATOR ID

איזה מתנד מתאר כל איור?

איור אLC₁C₂משוב
איור בCL₁L₂משוב
איור א: מתנד קולפיץ
סליל אחד ושני קבלים יוצרים מחלק משוב קיבולי.
איור ב: מתנד הרטלי
קבל אחד ושני סלילים יוצרים מחלק משוב השראותי.
WIEN BRIDGE / STRUCTURE

מתנד גשר ויין: מבנה ואופן פעולה

מגבר A+voutC₁R₁משוב חיוביR₂C₂RfRgמשוב שלילי
1
מתחילים מרעש זעיר

בהדלקה קיים במעגל אות אקראי קטן — אין צורך באות סינוס בכניסה.

2
רשת RC בוחרת תדר

בתדר אחד בלבד היא מחזירה אות ללא הסטת מופע.

3
המגבר מחזיר אנרגיה

הוא מפצה על ההפסדים באמצעות האנרגיה מספק ה־DC.

4
התנופה מתייצבת

הגבר החוג מתכנס ל־1 ונשמר אות סינוס יציב.

הקשר למתנדים הקודמים: מגבר + משוב חיובי + רשת קביעת תדר. בקולפיץ ובהרטלי הרשת היא LC; בגשר ויין היא RC.
WIEN BRIDGE / FREQUENCY & GAIN

מתנד גשר ויין: התדר ותנאי התנודה

1 · רשת RC קובעת את התדר
f0 = 12πRC

תקף כאשר שני הנגדים שווים R ושני הקבלים שווים C.

2 · כמה מן המוצא חוזר?
β(f0) = 13

בתדר f0 רשת ויין מחזירה שליש מן האות, באותו מופע.

3 · ברקהאוזן קובע את ההגבר
Aβ = 1
A · 13 = 1
A = 3

זהו ההגבר הדרוש לשמירת תנודה יציבה.

f0תדר התנודה [Hz]
Rכל אחד משני הנגדים [Ω]
Cכל אחד משני הקבלים [F]
βמקדם המשוב — החלק החוזר
LIVE SIGNAL LAB / WIEN

מתנד גשר ויין: שולטים בתדר

תדר התנודהf0 = 12πRC
הגבר במצב מתמידA = 3 כי β = 1/3
10
10
1.59 kHz
הגדלת R או C מגדילה את המכנה — ולכן מורידה את התדר
QUICK CHECK

אם A=4 ו־β=0.2, מה יקרה?

כי Aβ=4·0.2=0.8<1
BOARD EXERCISE / COLPITTS

תרגיל: תכנון מתנד קולפיץ

דרישת המערכת והנתונים

יש לתכנן מתנד קולפיץ עבור מכשיר קשר. המתנד צריך לייצר תדר של 10 MHz.

תדר נדרשf0 = 10 MHz
השראות הסלילL = 10 µH

מה צריך למצוא?

  1. חשבו את הקיבול השקול Ceq הדרוש לקבלת התדר.
  2. נתון ש־C1=C2. חשבו את ערכו של כל קבל.
  3. אם ערכו של C1 יורד, קבעו אם f0 יעלה או ירד.
קיבול שני הקבלים בטורCeq = C1·C2C1+C2
תדר מתנד קולפיץf0 = 12π√(L·Ceq)
SOLUTION / STEP 01

שלב 1: המרת הנתונים ליחידות בסיס

גודלהנתון בשאלהמשמעות התחיליתהערך להצבה
f010 MHzM = 10610×106 Hz = 107 Hz
L10 µHµ = 10−610×10−6 H = 10−5 H
בנוסחת התדר מציבים Hz, H ו־F. אין להציב ישירות MHz, µH או pF.

מהו 107 Hz?

עשרה מיליון מחזורים בשנייה. זהו התדר שהמתנד צריך לייצר.

מהו 10−5 H?

ערך ההשראות של הסליל לאחר שהמרנו מ־µH להנרי.

SOLUTION / ALGEBRA

שלב 2: בידוד הקיבול השקול

f0תדר התנודה [Hz]
Lהשראות הסליל [H]
Ceqהקיבול השקול [F]
πהקבוע 3.1416
1
f0 = 12π√(L·Ceq)

מתחילים מנוסחת תדר התהודה.

2
2πf0√(L·Ceq) = 1

כופלים במכנה כדי להעבירו לאגף שמאל.

3
√(L·Ceq) = 12πf0

מחלקים את שני האגפים ב־2πf0.

4
Ceq = 14π²f0²L

מעלים בריבוע ומחלקים ב־L.

SOLUTION / SUBSTITUTION

שלב 3: הצבה וחישוב Ceq

Ceq = 14π²f0²L
Ceq = 14π²·(107)²·10−5
Ceq = 2.533×10−11 F
Ceq = 25.33 pF
2.533×10−11 F = 25.33×10−12 F, ולכן התוצאה היא 25.33 pF.

מה הוצב בנוסחה?

f0=107 Hz
תדר היעד לאחר המרה.

L=10−5 H
השראות הסליל לאחר המרה.

Ceq
הנעלם שאנו מחשבים.

התוצאה הגיונית: במתנדי MHz עם סליל של µH מתקבל בדרך כלל קיבול בסדר גודל של pF.
SOLUTION / EQUAL CAPACITORS

שלב 4: חישוב C1 ו־C2

C1 = C2 = CCeq = C·CC+C = 2C = C2C = 2CeqC = 2·25.33 pF = 50.66 pF
C1 = C2 ≈ 50.66 pF

מדוע כל קבל גדול מ־Ceq?

בחיבור בטור הקיבול השקול קטן מכל אחד מהקבלים.

כאשר שני הקבלים שווים, הקיבול השקול שווה בדיוק למחצית מערכו של כל קבל.

Ceq=25.33 pF
לכן כל קבל הוא 50.66 pF.
SOLUTION / CHANGE ANALYSIS

שלב 5: מה קורה אם קבל קטן?

f0 = 12π√(L·Ceq)
C1
Ceq
המכנה ↓
f0

ההסבר המתמטי

f0 נמצא ביחס הפוך לשורש של Ceq. קיבול קטן יותר גורם לתדר גבוה יותר.

המשמעות במכשיר הקשר

שינוי בערך הקבל מזיז את תדר המתנד. המשדר או המקלט עלולים לסטות מהערוץ המתוכנן.

EXAM MODE / BARKHAUSEN

תרגיל מסכם: איזה הגבר נדרש?

נתוני רשת המשוב

|β| = 0.2
∠β = 120°

המגבר מוסיף הסטת מופע של 240°.

השאלה

מהו גודל ההגבר המינימלי |A| שיקיים תנודה יציבה?

פתרון לפי שני תנאי ברקהאוזן

1. בדיקת המופע120° + 240° = 360°

האות החוזר מגיע באותו מופע כמו האות שבכניסה. לכן המשוב מחזק את התנודה.

2. בדיקת הגודל|Aβ| = 1

הקווים | | מציינים גודל חיובי. סימן מינוס או היפוך מופע נבדקים בנפרד בתנאי המופע.

3. הצבת מקדם המשוב|A| × 0.2 = 1|A| = 10.2 = 5

β=0.2 פירושו שרשת המשוב מחזירה חמישית מן המוצא.

|A|min = 5
4. התנעה לעומת מצב מתמיד

להתנעה מכוונים את ההגבר מעט מעל 5 כדי שהרעש הראשוני יגדל. כאשר התנופה מגיעה לערך הרצוי, מנגנון הייצוב מקטין את ההגבר האפקטיבי ל־5 ושומר על אות סינוס יציב.

LESSON 03 / COMPLETE

הסינוס כבר לא מגיע משום מקום

מקור

המתנד ממיר אנרגיית DC לאות מחזורי.

תנאי

Aβ=1 במצב מתמיד, בגודל ובמופע.

תדר

רשת LC או RC בוחרת את f₀.

קולפיץסליל אחד ושני קבלים
הרטליקבל אחד ושני סלילים
גשר וייןרשת נגדים וקבלים
NEXT: NOISE
REFERENCES

מקורות והתאמה לסילבוס

תוכנית הלימודים 2025

פרק 2: מתנדים — סעיפים 2.1–2.5. תפקיד, תרשים מלבנים, ברקהאוזן, קולפיץ והרטלי, חישובים ויתרונות/חסרונות.

נוסחאון מה״ט

עמוד 5: תנאי ברקהאוזן ונוסחאות התדר של קולפיץ והרטלי.

ספר מט״ח

תקשורת תקבילית וספרתית, עמ׳ 58–72: עקרון התנודות, משוב חיובי, ברקהאוזן, גשר ויין וייצוב תנופה.

משך כולל

135 דקות הוראה, שאלות, סימולציות ותרגול.