En faseforskyvningsoscillator er en oscillatorkrets designet for å generere en sinusbølgeutgang. Den fungerer med et enkelt aktivt element, for eksempel en BJT eller en op-amp konfigurert i en inverterende forsterkermodus.
Kretsarrangementet skaper en tilbakemelding fra utgangen til inngangen ved hjelp av en RC (motstand / kondensator) krets arrangert i et nettverk av stigen. Innføringen av denne tilbakemeldingen forårsaker en positiv 'forskyvning' i fasen av utgangen fra forsterkeren 180 grader ved oscillatorfrekvensen.
Størrelsen på faseforskyvning opprettet av RC-nettverket er frekvensavhengig. Høyere oscillatorfrekvenser skaper større mengde faseforskyvning.
Følgende omfattende forklaringer vil hjelpe oss å lære konseptet i større detaljer.
I forrige innlegg vi lærte om de kritiske hensynene som kreves når vi utformet en op-amp-basert faseforskyvningsoscillator. I dette innlegget vil vi ta det lenger frem og vite mer om typer faseforskyvningsoscillatorer og hvordan man beregner de involverte parametrene gjennom formler.
Wien-bro-krets
Diagrammet nedenfor viser Wien-bridge kretsoppsettet.
Her kan vi bryte sløyfen ved den positive inngangen til opampen og beregne retursignalet ved hjelp av følgende ligning 2:
Når ⍵ = 2πpf = 1 / RC , tilbakemeldingen er i fase (positiv tilbakemelding), med en gevinst på 1/3 .
Derfor trenger svingningene at opamp-kretsen har en forsterkning på 3.
Når R F = 2R G , er forsterkerforsterkningen 3 og oscillasjon starter ved f = 1 / 2πRC.
I vårt eksperiment svingte kretsen ved 1,65 kHz i stedet for 1,59 kHz ved bruk av de angitte delverdiene i figur 3, men med en tilsynelatende forvrengning.
Den neste figuren nedenfor viser et Wien-bro-kretsløp ikke-lineær tilbakemelding .
Vi kan se en lampe RL hvis filamentmotstand er valgt veldig lav, omtrent 50% av tilbakemeldingsverdien til RF, siden lampestrømmen er definert av RF og RL.
Forholdet mellom lampestrømmen og lampemotstanden er ikke-lineær, bidrar til å holde utgangsspenningsvariasjonene på et minimumsnivå.
Du kan også finne mange kretser som inneholder diode i stedet for det ovenfor forklarte ikke-lineære tilbakemeldingselementkonseptet.
Bruken av en diode bidrar til å redusere forvrengningsnivået ved å tilby en mild utgangsspenningskontroll.
Men hvis de ovennevnte metodene ikke er gunstige for deg, må du gå etter AGC-metoder, noe som på samme måte bidrar til å få redusert forvrengning.
En vanlig Wien-bridge-oscillator som bruker en AGC-krets, vises i følgende figur.
Her prøver den den negative sinusbølgen ved hjelp av D1, og prøven lagres inne i C1.
R1 og R2 er beregnet slik at den sentrerer forspenningen på Q1 for å sikre at (R G + R Q1 ) tilsvarer R F / 2 med forventet utgangsspenning.
Hvis utgangsspenningen har en tendens til å bli høyere, øker motstanden til Q1 og reduserer følgelig forsterkningen.
I den første Wien bridge-oscillatorkretsen, kan 0,833-voltsforsyningen sees påført den positive opamp-inngangspinnen. Dette ble gjort for å sentralisere den utgående hvilespenningen ved VCC / 2 = 2,5 V.
Fase-skift oscillator (en opamp)
En faseforskyvningsoscillator kan også konstrueres ved hjelp av bare en enkelt opamp som vist ovenfor.
Den konvensjonelle tenkningen er at trinnene i faseforskyvningskretser er isolerte og selvstyrende av hverandre. Dette gir oss følgende ligning:
Når faseskiftet til den enkelte seksjonen er –60 °, er sløyfefaseskiftet = –180 °. Dette skjer når ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC siden tangenten 60 ° = 1,73.
Verdien av β for øyeblikket er (1/2)3, som betyr at forsterkningen, A, må være med et nivå på 8 for at systemforsterkningen skal være med et nivå på 1.
I dette diagrammet ble oscillasjonsfrekvensen for de angitte delverdiene funnet å være 3,76 kHz, og ikke i henhold til den beregnede oscillasjonsfrekvensen på 2,76 kHz.
Videre ble den nødvendige forsterkningen for å starte svingning målt til å være 26 og ikke i henhold til den beregnede forsterkningen på 8.
Denne typen unøyaktigheter skyldes til en viss grad komponentfeil.
Imidlertid skyldes det viktigste aspektet på feil spådommer at RC-trinnene aldri påvirker hverandre.
Dette enkle opamp-kretsoppsettet pleide å være ganske kjent til tider da aktive komponenter var store og dyre.
I dag er op-forsterkere økonomiske og kompakte og er tilgjengelige med fire tall i en enkelt pakke. Derfor har den enkle opamp faseforskyvningsoscillatoren til slutt mistet anerkjennelsen.
Bufret faseforskyvningsoscillator
Vi kan se en bufret faseforskyvningsoscillator i figuren ovenfor, som pulserer ved 2,9 kHz i stedet for den forventede ideelle frekvensen på 2,76 kHz, og med en forsterkning på 8,33 i motsetning til en ideell forsterkning på 8.
Bufferne forhindrer at RC-seksjonene påvirker hverandre, og derfor er de bufrede faseforskyvningsoscillatorene i stand til å operere nærmere den beregnede frekvensen og forsterkningen.
Motstanden RG som er ansvarlig for forsterkningsinnstillingen, laster den tredje RC-seksjonen, slik at den fjerde opampen i en quad-opamp kan fungere som en buffer for denne RC-seksjonen. Dette fører til at effektivitetsnivået når en ideell verdi.
Vi kan trekke ut en sinusbølge med lav forvrengning fra et hvilket som helst av faseforskyvningsoscillatorstadiene, men den mest naturlige sinusbølgen kan avledes fra utgangen fra den siste RC-delen.
Dette er vanligvis en høyimpedans lavstrømskryss, derfor må en krets med et høyt impedansinngangstrinn brukes her for å unngå belastning og frekvensavvik som respons på belastningsvariasjoner.
Kvadraturoscillator
Kvadraturoscillatoren er en annen versjon av faseforskyvningsoscillatoren, men de tre RC-trinnene er satt sammen på en måte som hver seksjon legger opp til 90 ° faseforskyvning.
Utgangene heter sinus og cosinus (kvadratur) bare fordi det eksisterer en 90 ° faseforskyvning blant opamp-utganger. Sløyfeforsterkningen bestemmes gjennom ligning 4.
Med ⍵ = 1 / RC , Ligning 5 forenkler til 1√ - 180 ° , som fører til svingninger ved ⍵ = 2πpf = 1 / RC.
Den eksperimenterte kretsen pulserte ved 1,65 kHz i motsetning til den beregnede verdien på 1,59 kHz, og forskjellen skyldes hovedsakelig variasjoner i delverdier.
Bubba-oscillator
Bubba-oscillatoren vist ovenfor er enda en variant av faseforskyvningsoscillator, men den nyter fordelen av quad op-amp-pakken for å produsere noen særpreg.
Fire RC-seksjoner krever 45 ° faseforskyvning for hver seksjon, noe som betyr at denne oscillatoren kommer med en enestående dΦ / dt for å redusere frekvensavvik.
Hver av RC-seksjonene genererer 45 ° faseforskyvning. Betydning, fordi vi har utganger fra alternative seksjoner, sikrer kvadraturutganger med lav impedans.
Hver gang en utgang ekstraheres fra hver opamp, produserer kretsen fire 45 ° faseforskyvede sinusbølger. Sløyfelegningen kan skrives som:
Når ⍵ = 1 / RC , krymper de ovennevnte ligningene til følgende ligninger 7 og 8.
Forsterkningen, A, skal nå verdien 4 for å starte en svingning.
Analysekretsen svingte ved 1,76 kHz i motsetning til den ideelle frekvensen 1,72 kHz mens forsterkningen så ut til å være 4,17 i stedet for den ideelle forsterkningen på 4.
På grunn av redusert gevinst TIL og lave forspenningsstrøm-op-ampere, laster ikke motstanden RG som er ansvarlig for å fikse forsterkningen, den endelige RC-delen. Dette garanterer den mest nøyaktige oscillatorfrekvensutgangen.
Ekstremt sinusbølger med lav forvrengning kan anskaffes fra krysset mellom R og RG.
Når sinusbølger med lav forvrengning er nødvendig over alle utgangene, bør forsterkningen faktisk fordeles likt mellom alle opampene.
Den ikke-inverterende inngangen til forsterknings-forsterkeren er forspent ved 0,5 V for å skape den stille utgangsspenningen ved 2,5 V. Forsterkningsfordeling nødvendiggjør forspenning av de andre opampene, men det har helt sikkert ingen innvirkning på frekvensen av svingning.
Konklusjoner
I diskusjonen ovenfor forsto vi at Op amp fase skift oscillatorer er begrenset til den nedre enden av frekvensbåndet.
Dette skyldes at op-forsterkere ikke har den vesentlige båndbredden for å implementere lav faseskift ved høyere frekvenser.
Å bruke de moderne strømtilbakemeldingsforsterkerne i oscillatorkretser ser vanskelig ut, siden disse er veldig følsomme for tilbakemeldingskapasitans.
Spenningsfeedback-op-forsterkere er begrenset til bare noen få 100 kHz siden de bygger opp overdreven faseforskyvning.
Wien-bridge-oscillatoren fungerer med et lite antall deler, og frekvensstabiliteten er veldig akseptabel.
Men å tone ned forvrengningen i en Wien-bridge-oscillator er mindre enklere enn å starte selve oscillasjonsprosessen.
Kvadraturoscillatoren kjører sikkert med et par op-forsterkere, men den inkluderer mye høyere forvrengning. Imidlertid viser faseforskyvningsoscillatorer, som Bubba-oscillatoren, mye lavere forvrengning sammen med en anstendig frekvensstabilitet.
Når det er sagt, blir den forbedrede funksjonaliteten til denne typen faseforskyvningsoscillatorer ikke billig på grunn av høyere kostnader for delene som er involvert over de forskjellige trinnene i kretsen.
Beslektede nettsteder
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
Forrige: Op amp oscillatorer Neste: 1000 watt til 2000 watt forsterkerkrets
