Op amp oszcillátorok

Az oszcillátor felépítését, amely egy aktív erősítőt használ aktív elemként, op erősítő oszcillátornak nevezzük.

Ebben a bejegyzésben megtanuljuk, hogyan tervezzünk opamp alapú oszcillátorokat, és figyelembe vesszük a stabil oszcillátor kialakításához szükséges számos kritikus tényezőt.

Az Op amp alapú oszcillátorokat általában olyan pontos, periodikus hullámformák előállítására használják, mint a négyzet, a fűrészfog, a háromszög és a szinuszos.

Általában egyetlen aktív eszköz, vagy lámpa vagy kristály segítségével működnek, és néhány passzív eszköz, például ellenállások, kondenzátorok és induktivitások társítják a kimenet előállításához.

Op-amp oszcillátor kategóriák

Pár elsődleges oszcillátorcsoportot talál: relaxációs és szinuszos.

A relaxációs oszcillátorok előállítják a háromszög alakú, fűrészfogú és más nem szinuoidális hullámformákat.

A szinuszos oszcillátorok op-erősítőket tartalmaznak az oszcilláció létrehozásához hozzászokott további részek felhasználásával, vagy olyan kristályokat, amelyek beépített oszcillációs generátorokkal rendelkeznek.

A szinuszhullám-oszcillátorokat számos áramkör-alkalmazásban használják forrásként vagy teszthullám-alakként.

A tiszta szinuszos oszcillátor kizárólag egyedi vagy alapfrekvenciával rendelkezik: ideális esetben harmonikus nélkül.

Ennek eredményeként egy szinuszos hullám lehet az áramkör bemenete, kiszámított kimeneti harmonikusok felhasználásával a torzítás szintjének rögzítéséhez.

A relaxációs oszcillátorokban a hullámformákat szinuszos hullámok hozzák létre, amelyeket összegezve adják meg a megadott alakot.

Az oszcillátorok segítenek olyan állandó impulzusok előállításában, amelyeket referenciaként használnak az olyan alkalmazásokban, mint az audio, a funkciógenerátorok, a digitális rendszerek és a kommunikációs rendszerek.

Szinusz hullám oszcillátorok

A szinuszos oszcillátorok tartalmazzák az RCA vagy LC áramköröket használó opampereket, amelyek beállítható oszcillációs frekvenciákat tartalmaznak, vagy olyan kristályokat, amelyek rendelkeznek egy előre meghatározott rezgési frekvenciával.

Az oszcilláció frekvenciáját és amplitúdóját a központi op-erősítővel összekapcsolt passzív és aktív részek kiválasztásával állapíthatjuk meg.

Az Op-amp alapú oszcillátorok instabilak. Nem az a típus, amelyet időnként váratlanul fejlesztenek vagy terveznek a laboratóriumban, inkább azok a típusok, amelyeket szándékosan építenek, hogy továbbra is instabil vagy oszcilláló állapotban legyenek.

Az Op-amp oszcillátorok a frekvenciatartomány alsó végéhez vannak kötve, mivel az opampok nem rendelkeznek a szükséges sávszélességgel az alacsony fáziseltolódás magas frekvenciákon történő megvalósításához.

A feszültség-visszacsatolásos opampok alacsony kHz-tartományra korlátozódnak, mivel fő, nyitott hurkú pólusuk gyakran olyan kicsi, mint 10 Hz.

A modern áram-visszacsatolási opampokat lényegesen szélesebb sávszélességgel tervezték, de ezeket hihetetlenül nehéz megvalósítani az oszcillátor áramkörökben, mivel érzékenyek a visszacsatolási kapacitásra.

A kristályoszcillátorokat nagyfrekvenciás alkalmazásokban ajánlják, több száz MHz tartományban.

Alapkövetelmények

A legalapvetőbb típusban, amelyet kanonikus típusnak is neveznek, negatív visszacsatolási módszert alkalmaznak.

Ez az oszcilláció megindításának előfeltétele, amint az az 1. ábrán látható. Itt láthatjuk a blokkvázlatot egy olyan módszerhez, ahol a VIN rögzített bemeneti feszültségként.

A Vout az A blokk kimenetét jelenti.

β azt a jelet jelöli, amelyet visszacsatolási tényezőnek is neveznek, és amelyet visszajuttatnak az összegző csomópontba.

E jelöli a hibaelemet, amely egyenértékű a visszacsatolási tényező és a bemeneti feszültség összegével.

Az oszcillátor áramkör eredő egyenletei alább láthatók. Az első egyenlet a fontos, amely meghatározza a kimeneti feszültséget. A 2. egyenlet megadja a hiba tényezőt.

Vout = E x A ------------------------------ (1)

E = Vin + βVout --------------------------(két)

Az E hibatényező kiküszöbölése a fenti egyenletekből megadja

Vout / A = Vin - βVout ----------------- (3)

Az elemek kibontása a Vout-ban megadja

Vin = Vout (1 / A + β) --------------------- (4)

A fenti egyenletben szereplő kifejezések átszervezése a következő klasszikus visszacsatolási képletet biztosítja számunkra az 5. egyenleten keresztül

Vout / Vin = A / (1 + Aβ) ---------------- (5)

Az oszcillátorok képesek külső jel segítsége nélkül működni. Inkább a kimeneti impulzus egy részét használják fel bemenetként egy fizetős hálózaton keresztül.

A rezgés akkor kezdődik, amikor a visszacsatolással nem lehet stabil stabil állapotot elérni. Ez azért történik, mert az átviteli művelet nem teljesül.

Ez az instabilitás akkor következik be, amikor az # 5 egyenlet nevezője nulla lesz, az alábbiak szerint:

1 + Ap = 0 vagy Ap = -1.

Az oszcillátor áramkör megtervezése során a legfontosabb az Aβ = -1 biztosítása. Ezt az állapotot nevezzük Barkhausen-kritérium .

Ennek a feltételnek a teljesítéséhez elengedhetetlenné válik, hogy a hurokerősítés értéke egységben maradjon egy megfelelő 180 fokos fáziseltolással. Ezt felfogja az egyenlet negatív jele.

A fenti eredmények alternatív módon kifejezhetők az alábbiak szerint, az összetett Algebra szimbólumaival:

Ap = 1-180 °

A pozitív visszacsatoló oszcillátor megtervezése közben a fenti egyenlet a következőképpen írható fel:

Ap = 1 ± 0 ° ami az 5. egyenletben szereplő Aβ kifejezést negatívvá teszi.

Amikor Aβ = -1, a visszacsatoló kimenet végtelen feszültség felé mozog.

Amikor ez megközelíti a maximális + vagy - tápszintet, az áramkörökben lévő erősítésszint aktív eszközök megváltoznak.

Ez azt eredményezi, hogy A értéke Aβ ≠ -1 lesz, ami lelassítja a visszacsatolásos végtelen feszültség megközelítést, és végül leállítja azt.

Itt találhatjuk a három lehetőség egyikét:

1. Nemlineáris telítettség vagy levágás, ami az oszcillátor stabilizálódását és rögzítését okozza.
2. A kezdeti töltés arra kényszeríti a rendszert, hogy hosszú ideig telítődjön, mielőtt újra lineárisvá válik, és megkezdi az ellenkező tápvezeték megközelítését.
3. A rendszer továbbra is a lineáris régióban van, és az ellenkező ellátó sín felé tér vissza.

A második lehetőség esetén rendkívül torz rezgéseket kapunk, általában kvázi négyzet alakú hullámok formájában.

Mi a fáziseltolódás az oszcillátorokban

Az Aβ = 1 ㄥ -180 ° egyenlet 180 ° -os fáziseltolódása az aktív és a passzív komponensek révén jön létre.

Mint minden helyesen tervezett visszacsatoló áramkör, az oszcillátorok a passzív alkatrészek fáziseltolásán alapulnak.

A passzív alkatrészek eredménye ugyanis pontos és gyakorlatilag sodródásmentes. Az aktív komponensekből nyert fáziseltolás sok tényező miatt többnyire pontatlan.

Hőmérsékletváltozásokkal sodródhat, széles kezdeti toleranciát mutathat, és az eredmények a készülék jellemzőitől is függhetnek.

Az op erősítőket azért választják meg, hogy biztosítsák a minimális fáziseltolódást az oszcilláció frekvenciáján.

Az egypólusú RL (ellenállás-induktor) vagy RC (ellenállás-kazettás) áramkör pólusonként körülbelül 90 ° -os fáziseltolódást eredményez.

Mivel az oszcillációhoz 180 ° szükséges, az oszcillátor megtervezésekor legalább két oszlopot kell alkalmazni.

Egy LC áramkör 2 pólussal rendelkezik, ezért minden póluspárhoz körülbelül 180 ° -os fáziseltolódást biztosít.

Az LC-alapú kialakításokról azonban itt nem fogunk beszélni az alacsony frekvenciájú induktorok bekapcsolása miatt, amelyek drágák, terjedelmesek és nemkívánatosak lehetnek.

Az LC oszcillátorokat nagyfrekvenciás alkalmazásokhoz tervezték, amelyek a feszültség visszacsatolás elve alapján meghaladhatják az opamp frekvenciatartományát.

Itt megtalálhatja, hogy az induktor mérete, súlya és költsége nem sok jelentőséggel bír.

A fáziseltolás meghatározza az oszcilláció frekvenciáját, mivel az áramkör azon a frekvencián pulzál, amely 180 fokos fáziseltolódást eredményez. A df / dt vagy az a sebesség, amellyel a fáziseltolás a frekvenciával változik, dönti el a frekvencia stabilitását.

Ha kaszkádos pufferelt RC szakaszokat használnak opampok formájában, amelyek nagy bemenetű és alacsony kimeneti impedanciát kínálnak, a fáziseltolás szorozva van a szakaszok számával, n (lásd az alábbi ábrát).

Annak ellenére, hogy két kaszkádos RC szakasz 180 ° -os fáziseltolódást mutat, a dФ / dt minimálisnak találhatja az oszcillátor frekvenciáját.

Ennek eredményeként két lépcsőzetes RC szakasz felhasználásával készült oszcillátorok kínálkoznak nem megfelelő frekvenciastabilitás.

Három azonos kaszkádos RC szűrőszakasz megnövelt dФ / dt értéket biztosít, lehetővé téve az oszcillátor fokozott frekvenciastabilitását.

A negyedik RC szakasz bevezetésével azonban egy oszcillátort hozunk létre egy kiemelkedő dФ / dt.

Ezért ez rendkívül stabil oszcillátor beállítássá válik.

Négy szakasz vélhetően az előnyben részesített tartomány, főleg azért, mert az opampok négycsomagolásban állnak rendelkezésre.

A négyszakaszos oszcillátor 4 szinuszhullámot állít elő, amelyek egymáshoz képest 45 ° -os fázisban vannak eltolva, ami azt jelenti, hogy ez az oszcillátor lehetővé teszi a szinusz / koszinusz vagy kvadrátus szinusz hullámok megtartását.

Kristályok és kerámia rezonátorok használata

A kristály vagy kerámia rezonátorok biztosítják számunkra a legstabilabb oszcillátorokat. Ennek oka, hogy a rezonátorok hihetetlenül magas dФ / dt értékkel rendelkeznek nemlineáris tulajdonságaik eredményeként.

A rezonátorokat nagyfrekvenciás oszcillátorokban alkalmazzák, azonban az alacsony frekvenciájú oszcillátorok a méret, a súly és a költségkorlátozások miatt általában nem működnek rezonátorokkal.

Meg fogja tapasztalni, hogy az op erősítőket nem használják kerámia rezonátor oszcillátoroknál, főleg azért, mert az opampok csökkentett sávszélességet tartalmaznak.

Tanulmányok azt mutatják, hogy olcsóbb egy nagyfrekvenciás kristályoszcillátor megépítése és a kimenet levágása alacsony frekvencia megszerzéséhez alacsony frekvenciájú rezonátor beépítése helyett.

Nyereség az oszcillátorokban

Az oszcillátor erősítésének meg kell egyeznie egy az oszcillációs frekvencián. A kialakítás stabil lesz, ha az erősítés nagyobb, mint 1, és a rezgések leállnak.

Amint az erősítés eléri az 1 értéket, –180 ° -os fáziseltolással együtt, az aktív eszköz (opamp) nem lineáris tulajdonsága 1-re csökkenti az erősítést.

Amikor nemlinearitás lép fel, az opamp a (+/-) tápszint közelében ingadozik, az aktív eszköz (tranzisztor) erősítésének levágása vagy telítettségének csökkenése miatt.

Egy furcsa dolog az, hogy a rosszul megtervezett áramkörök valójában 1-nél nagyobb marginális nyereséget igényelnek gyártásuk során.

Másrészt a nagyobb erősítés nagyobb kimeneti szinuszhullám torzulásához vezet.

Azokban az esetekben, amikor a nyereség minimális, a lengések rendkívül kedvezőtlen körülmények között megszűnnek.

Ha az erősítés nagyon magas, úgy tűnik, hogy a kimeneti hullámforma sokkal inkább hasonlít a szinusz hullám helyett a négyzet alakú hullámra.

A torzítás általában annak a túlzott erősítésnek azonnali következménye, hogy az erősítőt túlhajtja.

Ezért az erősítést óvatosan kell szabályozni az alacsony torzítású oszcillátorok elérése érdekében.

A fáziseltolásos oszcillátorok torzulást mutathatnak, azonban képesek lehetnek alacsony torzítású kimeneti feszültségek elérésére pufferelt kaszkádos RC szakaszok alkalmazásával.

Ennek oka, hogy a lépcsőzetes RC szakaszok torzító szűrőként viselkednek. Ezenkívül a pufferelt fáziseltolásos oszcillátorok alacsony torzítást tapasztalnak, mivel az erősítést kezelik és egyenletesen kiegyensúlyozzák a pufferek között.

Következtetés

A fenti beszélgetésből megtudtuk az opamp oszcillátorok alapvető működési elvét, és megértettük a tartós rezgések elérésének alapvető kritériumait. A következő bejegyzésben megtudjuk Wien-híd oszcillátorok .