Op amp oscillatorer

En oscillatorbygging ved hjelp av en op amp som det aktive elementet kalles en op amp oscillator.

I dette innlegget lærer vi hvordan vi designer opampbaserte oscillatorer, og om de mange kritiske faktorene som kreves for å generere en stabil oscillatordesign.

Op-amp-baserte oscillatorer brukes vanligvis til å generere presise, periodiske bølgeformer som firkantet, sagtann, trekantet og sinusformet.

Generelt fungerer de ved hjelp av en enkelt aktiv enhet, eller en lampe eller en krystall, og assosiert med noen få passive enheter som motstander, kondensatorer og induktorer, for å generere utgangen.

Op-amp oscillatorkategorier

Du finner et par primære grupper av oscillatorer: avslapning og sinusformet.

Avslapningsoscillatorer produserer de trekantede, sagetannene og andre ikke-kontinuerlige bølgeformer.

Sinusformede oscillatorer inneholder op-forsterkere ved hjelp av ekstra deler som er vant til å skape oscillasjon, eller krystaller som har innebygde oscillasjonsgeneratorer.

Sinusbølgeoscillatorer brukes som kilder eller testbølgeformer i mange kretsapplikasjoner.

En ren sinusformet oscillator har utelukkende en individuell eller grunnleggende frekvens: ideelt sett uten overtoner.

Som et resultat kan en sinusformet bølge være inngangen til en krets, ved hjelp av beregnede utgangsovertoner for å fikse forvrengningsnivået.

Bølgeformene i avslapningsoscillatorer produseres gjennom sinusformede bølger som summeres for å levere den bestemte formen.

Oscillatorer er nyttige for å produsere konsistente impulser som brukes som referanse i applikasjoner som lyd, funksjonsgeneratorer, digitale systemer og kommunikasjonssystemer.

Sine Wave oscillatorer

Sinusformede oscillatorer består av forsterkere som bruker RC- eller LC-kretser som inneholder justerbare svingningsfrekvenser, eller krystaller som har en forhåndsbestemt svingningsfrekvens.

Frekvensen og amplituden til svingning blir etablert ved valg av passive og aktive deler koblet til den sentrale op-amp.

Op-amp-baserte oscillatorer er kretser laget for å være ustabile. Ikke typen som til tider uventet er utviklet eller designet i laboratoriet, snarere typer som bevisst er bygget for å fortsette å være i en ustabil eller oscillerende tilstand.

Op-amp oscillatorer er bundet til den nedre enden av frekvensområdet på grunn av at opamps mangler den nødvendige båndbredden for å implementere lavfaseskiftet ved høye frekvenser.

Spenningsfeedback-opamper er begrenset til et lavt kHz-område siden deres viktigste, åpne sløyfestang ofte er så liten som 10 Hz.

De moderne strøm-tilbakemeldingslampene er designet med betydelig bredere båndbredde, men disse er utrolig vanskelige å implementere i oscillatorkretser, da de er følsomme for tilbakemeldingskapasitans.

Krystalloscillatorer anbefales i høyfrekvente applikasjoner i området hundrevis av MHz-området.

Grunnleggende krav

I den mest grunnleggende typen, også kalt den kanoniske typen, brukes en negativ tilbakemeldingsmetode.

Dette blir forutsetningen for å starte svingningen som vist i figur 1. Her ser vi blokkdiagrammet for en slik metode hvor VIN er fast som inngangsspenningen.

Vout betyr utgangen fra blokken A.

β betegner signalet, også kalt tilbakemeldingsfaktor, som tilføres tilbake til summeringskrysset.

E betegner feilelementet som tilsvarer summen av tilbakemeldingsfaktoren og inngangsspenningen.

De resulterende ligningene for en oscillatorkrets kan sees nedenfor. Den første ligningen er den viktigste som definerer utgangsspenningen. Likning 2 gir feilfaktoren.

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

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

Eliminering av feilfaktoren E fra ovenstående ligninger gir

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

Å trekke ut elementene i Vout gir

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

Omorganisering av begrepene i ovenstående ligning gir oss følgende klassiske tilbakemeldingsformel gjennom ligning # 5

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

Oscillatorer er i stand til å jobbe uten hjelp av et eksternt signal. Snarere blir en del av utgangspulsen brukt som inngang gjennom et tilbakebetalt nettverk.

En svingning startes når tilbakemeldingen ikke oppnår stabil stabil tilstand. Dette skjer fordi overføringshandlingen ikke blir oppfylt.

Denne ustabiliteten oppstår når nevneren for ligning # 5 blir null, som vist nedenfor:

1 + Aβ = 0, eller Aβ = -1.

Det avgjørende ved utforming av en oscillatorkrets er å sikre Aβ = -1. Denne tilstanden kalles Barkhausen-kriterium .

For å tilfredsstille denne tilstanden blir det viktig at løkkeforsterkningsverdien forblir på enhet gjennom en tilsvarende 180 graders faseforskyvning. Dette forstås av det negative tegnet i ligningen.

Resultatene ovenfor kan alternativt uttrykkes som vist nedenfor ved hjelp av symboler fra kompleks algebra:

Ap = 1 -180 °

Når du designer en positiv tilbakemeldingsoscillator, kan ligningen ovenfor skrives som:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° som gjør begrepet Aβ i ligning # 5 negativ.

Når Aβ = -1, har tilbakemeldingsutgangen en tendens til å bevege seg mot en uendelig spenning.

Når dette nærmer seg maksimalt + eller - forsyningsnivå, endres forsterkningsnivå aktive enheter i kretsene.

Dette fører til at verdien av A blir Aβ ≠ -1, noe som reduserer tilbakemeldingen til uendelig spenning, og til slutt stopper den.

Her kan vi finne en av de tre mulighetene som skjer:

1. Ikke-lineær metning eller avskjæring som får oscillatoren til å stabilisere seg og låse seg.
2. Den opprinnelige ladningen som tvinger systemet til å mette i en mye lang periode før det igjen blir lineært og begynner å nærme seg motsatt forsyningsskinne.
3. Systemet fortsetter å være i det lineære området, og går tilbake mot motsatt forsyningsskinne.

I tilfelle den andre muligheten får vi enormt forvrengte svingninger, vanligvis i form av kvasi firkantede bølger.

Hva er faseforskyvning i oscillatorer

180 ° faseforskyvning i ligningen Aβ = 1 ㄥ -180 ° opprettes gjennom de aktive og passive komponentene.

Akkurat som enhver riktig utformet tilbakemeldingskrets, er oscillatorer bygget basert på faseskiftet til de passive komponentene.

Dette er fordi resultatene fra passive deler er presise og praktisk talt driftfrie. Faseskiftet ervervet fra aktive komponenter er stort sett unøyaktig på grunn av mange faktorer.

Det kan svinge med temperaturendringer, kan vise bred initialtoleranse, og resultatene kan også avhenge av enhetens karakteristikk.

Op-forsterkere velges for å sikre at de gir minimum faseforskyvning til svingningsfrekvensen.

En enkeltpolet RL (motstand-induktor) eller RC (motstand-kondensator) krets gir omtrent 90 ° faseforskyvning per pol.

Siden 180 ° er nødvendig for oscillasjon, brukes minst to poler under utforming av en oscillator.

En LC-krets har to poler, derfor gir den rundt 180 ° faseforskyvning for hvert polpar.

Vi vil imidlertid ikke diskutere LC-baserte design her på grunn av involveringen av lavfrekvente induktorer som kan være dyre, store og uønskede.

LC-oscillatorer er beregnet for høyfrekvente applikasjoner, som kan være utover frekvensområdet for opamper basert på tilbakemeldingsprinsippet.

Her kan det hende at induktorens størrelse, vekt og kostnad ikke er av særlig betydning.

Faseskift fastslår svingningsfrekvensen siden kretsen pulserer med frekvensen som henter en faseforskyvning på 180 degress. Df / dt eller hastigheten som faseforskyvningen endres med frekvens, bestemmer frekvensstabilitet.

Når kaskadebufrede RC-seksjoner brukes i form av opamper, som tilbyr høy inngang og lav utgangsimpedans, multipliseres faseforskyvningen med antall seksjoner, n (se figur nedenfor).

Til tross for at to kaskadede RC-seksjoner presenterer 180 ° faseforskyvning, kan det hende at dФ / dt er minimal ved oscillatorfrekvensen.

Som et resultat tilbyr oscillatorer konstruert ved hjelp av to kaskadede RC-seksjoner utilstrekkelig frekvensstabilitet.

Tre identiske kaskadede RC-filterseksjoner gir økt dФ / dt, slik at oscillatoren får forbedret frekvensstabilitet.

Imidlertid skaper en oscillator med en innføring av en fjerde RC-seksjon fremragende dФ / dt.

Derfor blir dette et ekstremt stabilt oscillatoroppsett.

Fire seksjoner er tilfeldigvis det foretrukne området, hovedsakelig fordi opamps er tilgjengelige i firepakker.

Fire-seksjon oscillatoren produserer også 4 sinusbølger som er faseforskyvet 45 ° med referanse til hverandre, noe som betyr at denne oscillatoren gjør det mulig å få tak i sinus- / cosinus- eller kvadratur-sinusbølger.

Bruke krystaller og keramiske resonatorer

Krystall- eller keramiske resonatorer gir oss de mest stabile oscillatorene. Dette er fordi resonatorer kommer med utrolig høy dФ / dt som et resultat av deres ikke-lineære egenskaper.

Resonatorer brukes i høyfrekvente oscillatorer, men lavfrekvente oscillatorer fungerer vanligvis ikke med resonatorer på grunn av størrelse, vekt og kostnadsbegrensninger.

Du vil oppdage at op-forsterkere ikke brukes med keramiske resonatoroscillatorer, hovedsakelig fordi opamper inkluderer redusert båndbredde.

Studier viser at det er billigere å konstruere en høyfrekvent krystalloscillator og trimme ned utgangen for å få en lav frekvens i stedet for å innlemme en lavfrekvent resonator.

Få i oscillatorer

Gevinsten til en oscillator må samsvare en ved svingningsfrekvensen. Designet blir jevnt når forsterkningen er større enn 1 og svingningene stopper.

Så snart forsterkningen når over 1 sammen med en faseforskyvning på –180 °, faller den ikke-lineære egenskapen til den aktive enheten (opamp) forsterkningen til 1.

Når ikke-linearitet oppstår, svinger opampen nær enten (+/-) forsyningsnivåene på grunn av reduksjonen i avskjæring eller metning av den aktive enhets (transistor) forsterkning.

En merkelig ting er at de dårlig utformede kretsene faktisk krever marginale gevinster på mer enn 1 under produksjonen.

På den annen side fører høyere forsterkning til større forvrengning for utgangssinusbølgen.

I tilfeller der gevinsten er minimal, opphører svingninger under ekstreme ugunstige omstendigheter.

Når forsterkningen er veldig høy, ser utgangsbølgeformen ut til å være mye mer lik en firkantbølge i stedet for en sinusbølge.

Forvrengning er vanligvis en umiddelbar konsekvens av for mye forsterkning av forsterkeren.

Derfor bør gevinst styres forsiktig for å oppnå oscillatorer med lav forvrengning.

Fase-skift-oscillatorer kan vise forvrengninger, men de kan ha muligheten til å oppnå utgangsspenninger med lav forvrengning ved bruk av bufrede kaskadede RC-seksjoner.

Dette er fordi kaskade RC-seksjoner oppfører seg som forvrengningsfiltre. Videre opplever bufrede faseforskyvningsoscillatorer lav forvrengning siden forsterkningen styres og balanseres jevnt mellom bufferne.

Konklusjon

Fra ovennevnte diskusjon lærte vi det grunnleggende arbeidsprinsippet for opamp-oscillatorer og forstått de grunnleggende kriteriene for å oppnå vedvarende svingninger. I neste innlegg lærer vi om Wien-bro oscillatorer .