Oscilatoare cu amplificator op

O construcție a oscilatorului utilizând un amplificator op ca element activ se numește oscilator amplificator op.

În acest post vom învăța cum să proiectăm oscilatoare bazate pe opamp și despre mulți factori critici necesari pentru generarea unui design oscilator stabil.

Oscilatoarele bazate pe amplificatorul operațional sunt utilizate în mod normal pentru a genera forme de undă precise, periodice, cum ar fi pătrat, dinte de ferăstrău, triunghiular și sinusoidal.

În general, acestea funcționează utilizând un singur dispozitiv activ, sau o lampă sau un cristal și asociate de câteva dispozitive pasive, cum ar fi rezistențe, condensatori și inductori, pentru a genera ieșirea.

Categorii de oscilatoare cu amplificatoare op

Veți găsi câteva grupuri primare de oscilatoare: relaxare și sinusoidală.

Oscilatoarele de relaxare produc formele de undă triunghiulare, din dinte de ferăstrău și alte forme de undă nonsinuoidale.

Oscilatoarele sinusoidale încorporează amplificatoare operaționale folosind piese suplimentare obișnuite să creeze oscilații sau cristale care au generatoare de oscilație încorporate.

Oscilatoarele cu undă sinusoidală sunt utilizate ca surse sau forme de undă de testare în numeroase aplicații de circuite.

Un oscilator sinusoidal pur prezintă doar o frecvență individuală sau de bază: ideal, fără armonici.

Ca rezultat, o undă sinusoidală ar putea fi intrarea într-un circuit, folosind armonici de ieșire calculate pentru a fixa nivelul de distorsiune.

Formele de undă din oscilatoarele de relaxare sunt produse prin unde sinusoidale care sunt însumate pentru a oferi forma stipulată.

Oscilatoarele sunt utile pentru a produce impulsuri consistente care sunt utilizate ca referință în aplicații precum audio, generatoare de funcții, sisteme digitale și sisteme de comunicații.

Oscilatoare cu undă sinusoidală

Oscilatoarele sinusoidale cuprind amplificatoare operaționale care utilizează circuite RC sau LC care conțin frecvențe de oscilație reglabile sau cristale care posedă o frecvență de oscilație predeterminată.

Frecvența și amplitudinea oscilației sunt stabilite prin selectarea părților pasive și active conectate la amplificatorul central.

Oscilatoarele bazate pe amplificatoare de operare sunt circuite create pentru a fi instabile. Nu tipul care este uneori dezvoltat sau proiectat în mod neașteptat în laborator, ci mai degrabă tipurile care sunt construite în mod deliberat pentru a continua să fie într-o stare instabilă sau oscilatorie.

Oscilatoarele amplificator op sunt legate de capătul inferior al gamei de frecvențe din cauza faptului că opamps nu au lățimea de bandă necesară pentru implementarea schimbării fazei joase la frecvențe înalte.

Opampurile cu feedback de tensiune sunt limitate la un interval de kHz scăzut, deoarece polul lor principal, cu buclă deschisă, este adesea la fel de mic ca 10 Hz.

Opamp-urile moderne cu feedback curent sunt proiectate cu o lățime de bandă semnificativ mai mare, dar acestea sunt incredibil de dificil de implementat în circuitele oscilatoare, deoarece sunt sensibile la capacitatea de feedback.

Oscilatoarele de cristal sunt recomandate în aplicații de înaltă frecvență în domeniul sutelor de MHz.

Cerinte de baza

În tipul cel mai de bază, denumit și tip canonic, se folosește o metodă de feedback negativ.

Aceasta devine condiția prealabilă pentru inițierea oscilației așa cum se arată în Figura 1. Aici vedem diagrama bloc pentru o astfel de metodă în care VIN este fixat ca tensiune de intrare.

Vout semnifică ieșirea din blocul A.

β denotă semnalul, numit și factorul de feedback, care este furnizat înapoi la joncțiunea de însumare.

E semnifică elementul de eroare echivalent cu suma factorului de feedback și a tensiunii de intrare.

Ecuațiile rezultate pentru un circuit oscilator pot fi văzute mai jos. Prima ecuație este cea importantă care definește tensiunea de ieșire. Ecuația 2 dă factorul de eroare.

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

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

Eliminarea factorului de eroare E din ecuațiile de mai sus oferă

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

Extragerea elementelor din Vout oferă

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

Reorganizarea termenilor din ecuația de mai sus ne oferă următoarea formulă clasică de feedback prin ecuația # 5

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

Oscilatoarele pot funcționa fără ajutorul unui semnal extern. Mai degrabă, o porțiune a impulsului de ieșire este utilizată ca intrare printr-o rețea de feedback.

O oscilație este inițiată atunci când feedback-ul nu reușește să obțină o stare stabilă stabilă. Acest lucru se întâmplă deoarece acțiunea de transfer nu se realizează.

Această instabilitate apare atunci când numitorul ecuației # 5 devine zero, așa cum se arată mai jos:

1 + Aβ = 0 sau Aβ = -1.

Lucrul crucial în timpul proiectării unui circuit oscilator este asigurarea Aβ = -1. Această condiție se numește Criteriul Barkhausen .

Pentru a satisface această condiție, devine esențial ca valoarea câștigului buclei să rămână la unitate printr-o schimbare de fază corespunzătoare de 180 de grade. Acest lucru este înțeles de semnul negativ din ecuație.

Rezultatele de mai sus pot fi exprimate alternativ, după cum se arată mai jos, folosind simboluri din algebra complexă:

Aβ = 1 ± -180 °

În timp ce proiectați un oscilator cu feedback pozitiv, ecuația de mai sus poate fi scrisă ca:

Aβ = 1 ± 0 ° ceea ce face ca termenul Aβ din ecuația # 5 să fie negativ.

Când Aβ = -1, ieșirea de feedback tinde să se deplaseze către o tensiune infinită.

Când acest lucru se apropie de nivelurile maxime de alimentare + sau -, dispozitivul activ al nivelului de câștig din circuite se schimbă.

Acest lucru face ca valoarea lui A să devină Aβ ≠ -1, încetinind abordarea de tensiune infinită de feedback, în cele din urmă oprind-o.

Aici.s-ar putea găsi una dintre cele trei posibilități care se întâmplă:

1. Saturație neliniară sau întrerupere care determină stabilizarea și blocarea oscilatorului.
2. Sarcina inițială care obligă sistemul să se satureze pentru o perioadă mult mai lungă înainte ca acesta să devină din nou liniar și începe să se apropie de șina de alimentare opusă.
3. Sistemul continuă să se afle în regiunea liniară și revine spre șina de alimentare opusă.

În cazul celei de-a doua posibilități, obținem o oscilație imens distorsionată, în general sub formă de unde cvasi-pătrate.

Ce este schimbarea de fază în oscilatoare

Schimbarea fazei la 180 ° în ecuația Aβ = 1 ㄥ -180 ° este creată prin componentele active și pasive.

La fel ca orice circuit de feedback proiectat corect, oscilatoarele sunt construite pe baza defazării componentelor pasive.

Acest lucru se datorează faptului că rezultatele părților pasive sunt precise și practic fără drift. Schimbarea de fază dobândită din componentele active este în mare parte inexactă din cauza multor factori.

Poate deriva odată cu schimbările de temperatură, poate prezenta o toleranță inițială largă și, de asemenea, rezultatele pot depinde de caracteristica dispozitivului.

Amplificatoarele de operare sunt alese pentru a se asigura că aduc o defazare minimă la frecvența oscilației.

Un circuit RL (rezistor-inductor) sau RC (rezistor-caapcitor) unipolar aduce aproximativ o schimbare de fază de aproximativ 90 ° per pol.

Deoarece 180 ° este necesar pentru oscilație, se utilizează cel puțin doi poli în timpul proiectării unui oscilator.

Un circuit LC are 2 poli, prin urmare, asigură o schimbare de fază în jur de 180 ° pentru fiecare pereche de poli.

Cu toate acestea, nu vom discuta aici proiectele bazate pe LC datorită implicării setului de inductoare de joasă frecvență care pot fi costisitoare, voluminoase și nedorite.

Oscilatoarele LC sunt destinate aplicațiilor de înaltă frecvență, care pot depăși intervalul de frecvență al opampurilor pe baza principiului de feedback de tensiune.

Aici puteți găsi dimensiunea, greutatea și costul inductorului nu sunt prea importante.

Decalajul de fază stabilește frecvența oscilației, deoarece circuitul pulsează la frecvența care obține o decalare de fază de 180 de grade. Df / dt sau rata la care schimbarea de fază se schimbă cu frecvența, decide stabilitatea frecvenței.

Când secțiunile RC tamponate în cascadă sunt utilizate sub formă de opamps, oferind impedanță de intrare și de ieșire redusă, defazarea se înmulțește cu numărul de secțiuni, n (vezi Figura de mai jos).

În ciuda faptului că două secțiuni RC în cascadă prezintă schimbare de fază la 180 °, este posibil să găsiți dФ / dt ca fiind minim la frecvența oscilatorului.

Ca urmare, oferă oscilatoare construite folosind două secțiuni RC în cascadă inadecvat stabilitatea frecvenței.

Trei secțiuni de filtru RC în cascadă identice oferă un dФ / dt crescut, permițând oscilatorului o stabilitate sporită a frecvenței.

Cu toate acestea, introducerea unei a patra secțiuni RC creează un oscilator cu un remarcabil dФ / dt.

Prin urmare, aceasta devine o configurare a oscilatorului extrem de stabilă.

Patru secțiuni sunt gama preferată, în principal deoarece opamps sunt disponibile în pachete quad.

De asemenea, oscilatorul în patru secțiuni produce 4 unde sinusoidale care sunt schimbate de fază la 45 °, raportându-se una la cealaltă, ceea ce înseamnă că acest oscilator vă permite să obțineți unde sinusoidale / cosinus sau cu cuadratură.

Folosind cristale și rezonatoare ceramice

Rezonatoarele din cristal sau ceramică ne oferă cele mai stabile oscilatoare. Acest lucru se datorează faptului că rezonatoarele vin cu un dФ / dt incredibil de mare ca urmare a proprietăților lor neliniare.

Rezonatoarele sunt aplicate în oscilatoare de înaltă frecvență, cu toate acestea, de obicei, oscilatoarele de joasă frecvență nu funcționează cu rezonatoare din cauza dimensiunilor, greutății și constrângerilor de cost.

Veți descoperi că amplificatoarele opționale nu sunt utilizate cu oscilatoarele cu rezonator ceramic, în principal deoarece opampurile includ o lățime de bandă redusă.

Studiile arată că este mai puțin costisitor să construiești un oscilator de cristal de înaltă frecvență și să reduci ieșirea pentru a dobândi o frecvență joasă în loc să încorporezi un rezonator de joasă frecvență.

Câștig în oscilatoare

Câștigul unui oscilator trebuie să se potrivească unu la frecvența de oscilație. Designul devine constant odată ce câștigul este mai mare de 1 și oscilațiile se opresc.

De îndată ce câștigul atinge peste 1 împreună cu o schimbare de fază de –180 °, proprietatea neliniară a dispozitivului activ (opamp) scade câștigul la 1.

Când apare neliniaritatea, opampul se deplasează în apropierea oricăror niveluri de alimentare (+/-) datorită reducerii limitei de saturație sau a saturației câștigului dispozitivului activ (tranzistor).

Un lucru ciudat este că circuitele prost concepute necesită câștiguri marginale mai mari de 1 în timpul producției lor.

Pe de altă parte, câștigul mai mare duce la o cantitate mai mare de distorsiuni pentru unda sinusoidală de ieșire.

În cazurile în care câștigul este minim, oscilațiile încetează în circumstanțe extreme nefavorabile.

Când câștigul este foarte mare, forma de undă de ieșire pare să fie mult mai asemănătoare cu o undă pătrată în locul unei unde sinusoidale.

Distorsiunea este de obicei o consecință imediată a unui câștig excesiv care conduce supraamplificatorul.

Prin urmare, câștigul trebuie guvernat cu prudență pentru obținerea oscilatoarelor cu distorsiune redusă.

Oscilatoarele cu schimbare de fază pot prezenta distorsiuni, cu toate acestea pot avea capacitatea de a obține o tensiune de ieșire cu distorsiune redusă utilizând secțiuni RC în cascadă tamponate.

Acest lucru se datorează faptului că secțiunile RC în cascadă se comportă ca filtre de distorsiune. Mai mult, oscilatoarele tamponate cu defazare experimentează o distorsiune scăzută, deoarece câștigul este gestionat și echilibrat uniform între buffere.

Concluzie

Din discuția de mai sus am învățat principiul de bază al funcționării oscilatoarelor opamp și am înțeles cu privire la criteriile fundamentale pentru realizarea oscilațiilor susținute. În următoarea postare vom afla despre Oscilatoare Wien-bridge .