A fáziseltolásos oszcillátor olyan oszcillátor áramkör, amelyet szinuszhullám kimenet generálására terveztek. Egyetlen aktív elemmel működik, például BJT-vel vagy invertáló erősítő módban konfigurált op erősítővel.
Az áramköri elrendezés visszacsatolást hoz létre a kimenetről a bemenetre egy létra típusú hálózatba rendezett RC (ellenállás / kondenzátor) áramkör segítségével. Ennek a visszacsatolásnak a bevezetése pozitív „elmozdulást” okoz az erősítő kimenetének fázisában 180 fokkal az oszcillátor frekvenciáján.
Az RC hálózat által létrehozott fáziseltolás nagysága frekvenciafüggő. A magasabb oszcillátor frekvenciák nagyobb mennyiségű fáziseltolódást eredményeznek.
A következő átfogó magyarázatok segítenek a fogalom részletesebb megismerésében.
Ban,-ben előző poszt megtudtuk az op-amp alapú fáziseltolásos oszcillátor tervezése során szükséges kritikai szempontokat. Ebben a bejegyzésben tovább fogjuk vinni, és többet tudunk meg a fáziseltolódású oszcillátorok típusai és hogyan számítsuk ki az érintett paramétereket képletek segítségével.
Wien-híd áramkör
Az alábbi ábra a Wien-bridge áramkör beállítását mutatja.
Itt megszakíthatjuk a hurkot az opamp pozitív bemeneténél, és kiszámíthatjuk a visszatérő jelet a következő 2. egyenlet segítségével:
Amikor ⍵ = 2πpf = 1 / RC , a visszacsatolás fázisban van (pozitív visszacsatolás), amelynek nyeresége: 1/3 .
Ezért a rezgéseknek az opamp áramkörre van szükségük ahhoz, hogy 3 erősítés legyen.
Amikor R F = 2R G , az erősítő erősítése 3, és az oszcilláció f = 1 / 2πRC-n kezdődik.
Kísérletünkben az áramkör 1,59 kHz helyett 1,65 kHz-en rezgett, a 3. ábra szerinti részértékek felhasználásával, de látszólagos torzítással.
A következő ábra egy Wien-híd áramkört mutat nemlineáris visszacsatolás .
Láthatunk egy RL lámpát, amelynek izzószál-ellenállása nagyon alacsony, az RF visszacsatolási ellenállási értékének körülbelül 50% -a, mivel a lámpa áramát RF és RL határozza meg.
A lámpaáram és a lámpa ellenállása közötti kapcsolat nemlineáris, és segít a kimeneti feszültségváltozás minimális szinten tartásában.
A fent ismertetett nemlineáris visszacsatolási elem koncepció helyett sok áramkör is megtalálható diódával.
A dióda használata kíméletes kimeneti feszültségszabályozással segít csökkenteni a torzítási szintet.
Ha azonban a fenti módszerek nem kedvezőek az Ön számára, akkor az AGC módszereket kell választania, amelyek azonos módon segítenek a torzítás csökkentésében.
Az AGC áramkört használó közös Wien-bridge oszcillátor a következő ábrán látható.
Itt a negatív szinusz hullámot veszi fel D1 segítségével, és a mintát a C1-ben tárolják.
R1 és R2 kiszámítása úgy történik, hogy a Q1-re vonatkozó előfeszítést összpontosítja annak biztosítására (R G + R Q1 ) egyenlő R-vel F / 2 a várható kimeneti feszültséggel.
Ha a kimeneti feszültség nagyobb lesz, akkor a Q1 ellenállás növekszik, ami csökkenti az erősítést.
Az első bécsi híd oszcillátor áramkörben a 0,833 voltos táp látható a pozitív opamp bemeneti csapon. Ez a kimeneti nyugalmi feszültség központosítása volt a VCC / 2 = 2,5 V feszültségnél.
Fáziseltolásos oszcillátor (egy opamp)
A fáziseltolódású oszcillátor csak egyetlen opamp használatával is elkészíthető, a fentiek szerint.
A hagyományos gondolkodásmód az, hogy a fáziseltolódási áramkörökben a szakaszok elszigeteltek és egymástól függetlenek. Ez a következő egyenletet adja meg:
Ha az egyes szakaszok fáziseltolódása –60 °, akkor a hurok fáziseltolódása = –180 °. Ez akkor történik, amikor ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC mivel az érintő 60 ° = 1,73.
A β értéke ebben a pillanatban történetesen (1/2)3, ami azt jelenti, hogy az A erősítésnek 8-as szinttel kell rendelkeznie ahhoz, hogy a rendszer-erősítés 1-es szinttel legyen.
Ebben a diagramban a jelzett részértékek rezgési frekvenciáját 3,76 kHz-nek találták, és nem a 2,76 kHz-es számított rezgési frekvenciának.
Ezenkívül az oszcilláció megindításához szükséges erősítést 26-nak, nem pedig a 8 számított nyereségének mértük.
Az ilyen típusú pontatlanságok bizonyos mértékig az alkatrészek tökéletlenségéből fakadnak.
A legjelentősebb befolyásoló szempont azonban annak a téves előrejelzésnek köszönhető, hogy az RC szakaszok soha nem hatnak egymásra.
Ez az egyetlen opamp áramkör beállítása meglehetősen jól ismert volt olyan időszakokban, amikor az aktív komponensek terjedelmesek voltak és magas árúak voltak.
Manapság az op-erősítők gazdaságosak és kompaktak, négy csomagszámmal kaphatók, ezért az egyetlen opamp fáziseltolásos oszcillátor végül elvesztette elismertségét.
Pufferolt fáziseltolásos oszcillátor
A fenti ábrán pufferelt fáziseltolásos oszcillátort láthatunk, amely a várt 2,76 kHz-es ideális frekvencia helyett 2,9 kHz-en pulzál, és 8,33-as erősítéssel szemben az ideális 8-as erősítéssel.
A pufferek megakadályozzák, hogy az RC szakaszok befolyásolják egymást, ezért a pufferelt fáziseltolásos oszcillátorok képesek a számított frekvenciához és nyereséghez közelebb működni.
Az erősítés beállításáért felelős RG ellenállás betölti a harmadik RC szakaszt, lehetővé téve a quad opamp 4. opampjának, hogy pufferként működjön ennek az RC szakasznak. Ezáltal a hatékonysági szint eléri az ideális értéket.
Bármelyik fáziseltolásos oszcillátor fokozatból kivonhatunk alacsony torzítású szinuszhullámot, de a legtermészetesebb szinusz hullám az utolsó RC szakasz kimenetéből nyerhető ki.
Ez általában nagy impedanciájú kisáramú csomópont, ezért itt nagy impedanciájú bemeneti fokozattal rendelkező áramkört kell használni, hogy elkerüljük a terhelés és a frekvenciaeltéréseket a terhelésváltozásokra reagálva.
Quadrature oszcillátor
A kvadratúrás oszcillátor a fáziseltolásos oszcillátor másik változata, azonban a három RC fokozat úgy van összeállítva, hogy minden szakasz összeadja a fázistolás 90 ° -át.
A kimeneteket szinusznak és koszinusznak (kvadrátusnak) nevezik egyszerűen azért, mert az opamp kimenetek között 90 ° -os fáziseltolás van. A hurokerősítést a 4. egyenlet határozza meg.
Val vel ⍵ = 1 / RC , Az 5. egyenlet leegyszerűsíti 1√ - 180 ° , ami rezgésekhez vezet ⍵ = 2πpf = 1 / RC.
A kísérletezett áramkör 1,65 kHz-en pulzált, szemben a számított 1,59 kHz-es értékkel, és a különbség elsősorban az alkatrész-értékek variációinak köszönhető.
Bubba oszcillátor
A fent bemutatott Bubba oszcillátor a fáziseltolásos oszcillátor egy másik változata, de élvezi a quad op-amp csomag előnyeit, hogy néhány megkülönböztető tulajdonságot produkáljon.
Négy RC szakasz 45 ° -os fáziseltolást igényel minden szakasznál, ami azt jelenti, hogy ez az oszcillátor kiemelkedő dΦ / dt-vel rendelkezik a frekvenciaeltérések csökkentése érdekében.
Mindegyik RC szakasz 45 ° -os fáziseltolódást generál. Jelentés, mivel alternatív szekciókból származó kimeneteink biztosítják az alacsony impedanciájú kvadrát kimeneteket.
Amikor az egyes opampokból kimenetet kapunk, az áramkör négy 45 ° -os fáziseltolású szinusz hullámot produkál. A hurokegyenlet a következőképpen írható fel:
Amikor ⍵ = 1 / RC , a fenti egyenletek a következő 7. és 8. egyenletre zsugorodnak.
Az A erősítésnek el kell érnie a 4 értéket a rezgés elindításához.
Az elemző áramkör 1,76 kHz-en rezgett, szemben az ideális 1,72 kHz frekvenciával, miközben az erősítés 4,17-nek tűnt az ideális 4-es erősítés helyett.
Csökkentett nyereség miatt NAK NEK és alacsony előfeszültségű áramerősítők, az erősítés rögzítéséért felelős RG ellenállás nem tölti be az utolsó RC szakaszt. Ez garantálja a legpontosabb oszcillátor frekvencia kimenetet.
Rendkívül alacsony torzítású szinusz hullámok nyerhetők az R és RG találkozásánál.
Amikor az összes kimeneten alacsony torzítású szinusz hullámokra van szükség, az erősítést valójában egyenlően kell elosztani az összes opamp között.
Az erősítő op-amp nem invertáló bemenetét 0,5 V-ra torzítják, hogy 2,5 V-on nyugalmi kimeneti feszültséget hozzanak létre. A nyereség eloszlása szükségessé teszi a többi opamp előfeszítését, de ez biztosan nem befolyásolja az oszcilláció frekvenciáját.
Következtetések
A fenti megbeszélés során megértettük, hogy az Op amp fáziseltolódási oszcillátorok a frekvenciasáv alsó végére vannak szorítva.
Ez annak köszönhető, hogy az op-erősítők nem rendelkeznek az alapvető sávszélességgel az alacsony fáziseltolódás magasabb frekvenciákon történő megvalósításához.
A modern áram-visszacsatolású erősítők alkalmazása az oszcillátor áramkörökben nehéznek tűnik, mivel ezek nagyon érzékenyek a visszacsatolási kapacitásra.
A feszültség-visszacsatolásos erősítők csak néhány 100 kHz-re korlátozódnak, mivel túlzott fáziseltolódást eredményeznek.
A Wien-bridge oszcillátor kis számú alkatrész felhasználásával működik, és frekvenciastabilitása nagyon elfogadható.
De a torzítás csillapítása egy Wien-híd oszcillátorban kevésbé egyszerű, mint maga az oszcillációs folyamat elindítása.
A kvadratúrájú oszcillátor biztosan működik néhány op-erősítővel, de sokkal nagyobb torzításokat tartalmaz. Azonban a fáziseltolásos oszcillátorok, mint például a Bubba oszcillátorok, jóval alacsonyabb torzulást mutatnak, némi tisztességes frekvenciastabilitás mellett.
Ennek ellenére az ilyen típusú fáziseltolásos oszcillátorok továbbfejlesztett funkcionalitása nem olcsó az áramkör különböző szakaszaiban részt vevő alkatrészek magasabb költségei miatt.
Kapcsolódó webhelyek
www.ti.com/sc/amplifiers
www.ti.com/sc/docs/products/analog/tlv2471.html
www.ti.com/sc/docs/products/analog/tlv2472.html
www.ti.com/sc/docs/products/analog/tlv2474.html
Előző: Op amp oszcillátorok Következő: 1000 watt és 2000 watt teljesítményerősítő áramkör
