Oscilator cu schimbare de fază - Wien-Bridge, Buffered, Quadrature, Bubba

Un oscilator cu schimbare de fază este un circuit oscilator conceput pentru a genera o ieșire cu undă sinusoidală. Funcționează cu un singur element activ, cum ar fi un BJT sau un amplificator op configurat într-un mod de amplificare inversoare.

Aranjamentul circuitului creează un feedback de la ieșire la intrare prin utilizarea unui circuit RC (rezistor / condensator) dispus într-o rețea de tip scară. Introducerea acestui feedback determină o „deplasare” pozitivă în faza ieșirii din amplificator cu 180 de grade la frecvența oscilatorului.

Mărimea defazării create de rețeaua RC depinde de frecvență. Frecvențele mai mari ale oscilatorului creează o cantitate mai mare de defazare.

Următoarele explicații cuprinzătoare ne vor ajuta să învățăm conceptul în detalii mai mari.

În postarea anterioară am aflat despre considerațiile critice necesare în timp ce proiectăm un oscilator de fază cu amplificator op. În această postare o vom duce mai departe și vom afla mai multe despre tipuri de oscilatoare cu defazare și cum se calculează parametrii implicați prin formule.

Circuitul Wien-Bridge

Diagrama de mai jos arată configurarea circuitului Wien-bridge.

Aici putem rupe bucla la intrarea pozitivă a opamp și putem calcula semnalul de revenire folosind următoarea ecuație 2:

Când ⍵ = 2πpf = 1 / RC , feedback-ul este în fază (feedback pozitiv), având un câștig de 1/3 .

Prin urmare, oscilațiile au nevoie ca circuitul opamp să aibă un câștig de 3.

Când R F = 2R G , câștigul amplificatorului este 3 și oscilația începe la f = 1 / 2πRC.

În experimentul nostru circuitul a oscilat la 1,65 kHz în loc de 1,59 kHz folosind valorile pieselor indicate în Figura 3, dar cu o distorsiune aparentă.

Următoarea figură de mai jos demonstrează un circuit Wien-bridge având feedback neliniar .

Putem vedea o lampă RL a cărei rezistență a filamentului este selectată foarte scăzută, aproximativ 50% din valoarea rezistenței de feedback a RF, deoarece curentul lămpii este definit de RF și RL.

Relația dintre curentul lămpii și rezistența lămpii fiind neliniară, ajută la menținerea variațiilor de tensiune de ieșire la nivelul minim.

Puteți găsi, de asemenea, multe circuite care încorporează diode în locul conceptului de element de feedback neliniar explicat mai sus.

Utilizarea unei diode ajută la scăderea nivelului de distorsiune, oferind un control ușor al tensiunii de ieșire.

Cu toate acestea, dacă metodele de mai sus nu vă sunt favorabile, atunci trebuie să alegeți metodele AGC, ceea ce vă ajută în mod identic să obțineți o distorsiune redusă.

Un oscilator Wien-bridge comun care utilizează un circuit AGC este afișat în figura următoare.

Aici, eșantionează unda sinusoidală negativă prin intermediul lui D1, iar eșantionul este stocat în interiorul lui C1.

R1 și R2 sunt calculate astfel încât să centreze polarizarea pe Q1 pentru a se asigura că (R G + R Q1 ) este egal cu R F / 2 cu tensiunea de ieșire așteptată.

Dacă tensiunea de ieșire tinde să crească, rezistența Q1 crește, reducând astfel câștigul.

În primul circuit oscilator pod Wien, alimentarea de 0,833 volți poate fi văzută aplicată pe pinul de intrare opamp pozitiv. Acest lucru a fost făcut pentru a centeraliza tensiunea de repaus la ieșire la VCC / 2 = 2,5 V.

Oscilator cu schimbare de fază (un opamp)

Un oscilator cu schimbare de fază poate fi, de asemenea, construit folosind doar un singur opamp așa cum se arată mai sus.

Gândirea convențională este că în circuitele de schimbare de fază etapele sunt izolate și se autoguvernează reciproc. Acest lucru ne oferă următoarea ecuație:

Când defazarea secțiunii individuale este de –60 °, defazarea în buclă este = –180 °. Acest lucru se întâmplă când ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC deoarece tangenta 60 ° = 1,73.

Valoarea β în acest moment se întâmplă să fie (1/2)³, ceea ce înseamnă că câștigul, A, trebuie să fie cu un nivel de 8 pentru ca câștigul de sistem să fie cu un nivel la 1.

În această diagramă, sa constatat că frecvența oscilației pentru valorile pieselor indicate este de 3,76 kHz și nu conform frecvenței de oscilație calculate de 2,76 kHz.

Mai mult, câștigul necesar pentru inițierea oscilației a fost măsurat la 26 și nu conform câștigului calculat de 8.

Aceste tipuri de inexactități se datorează într-o oarecare măsură imperfecțiunilor componente.

Cu toate acestea, aspectul cel mai semnificativ care afectează se datorează predicțiilor greșite că etapele RC nu se vor afecta niciodată unul pe altul.

Această configurație unică a circuitului opamp a fost destul de cunoscută în momentele în care componentele active erau voluminoase și la prețuri ridicate.

În prezent, amplificatoarele opționale sunt economice și compacte și sunt disponibile cu patru numere într-un singur pachet, prin urmare, oscilatorul cu schimbare de fază opamp unic și-a pierdut în cele din urmă recunoașterea.

Oscilator cu defazare tamponată

Putem vedea un oscilator cu defazare tamponată în figura de mai sus, care pulsează la 2,9 kHz în loc de frecvența ideală așteptată de 2,76 kHz și cu un câștig de 8,33 spre deosebire de un câștig ideal de 8.

Tampoanele interzic secțiunile RC să se afecteze reciproc și, prin urmare, oscilatoarele tamponate cu defazare sunt capabile să funcționeze mai aproape de frecvența și câștigul calculate.

Rezistorul RG responsabil pentru setarea câștigului, încarcă a treia secțiune RC, permițând celui de-al patrulea opamp dintr-un quad opamp să acționeze ca tampon pentru această secțiune RC. Acest lucru face ca nivelul de eficiență să atingă o valoare ideală.

Putem extrage o undă sinusoidală cu distorsiune redusă din oricare dintre etapele oscilatorului cu schimbare de fază, dar cea mai naturală undă sinusoidală poate fi derivată din ieșirea ultimei secțiuni RC.

Aceasta este de obicei o joncțiune cu curent redus de impedanță ridicată, de aceea trebuie utilizat aici un circuit cu o etapă de intrare de impedanță ridicată pentru a evita abaterile de încărcare și frecvență ca răspuns la variațiile de sarcină.

Oscilator cu quadratură

Oscilatorul în cuadratură este o altă versiune a oscilatorului cu schimbare de fază, cu toate acestea cele trei etape RC sunt reunite într-un mod în care fiecare secțiune adaugă 90 ° de schimbare de fază.

Ieșirile sunt numite sinus și cosinus (cvadratură) pur și simplu pentru că există o schimbare de fază de 90 ° între ieșirile opamp. Câștigul buclei este determinat prin ecuația 4.

Cu ⍵ = 1 / RC , Ecuația 5 simplifică la 1√ - 180 ° , ducând la oscilații la ⍵ = 2πpf = 1 / RC.

Circuitul experimentat a pulsat la 1,65 kHz, spre deosebire de valoarea calculată de 1,59 kHz, iar diferența se datorează în principal variațiilor valorii părții.

Oscilator Bubba

Oscilatorul Bubba prezentat mai sus este încă o altă variantă a oscilatorului cu schimbare de fază, dar se bucură de avantajul oferit de pachetul quad-amplificator pentru a produce câteva caracteristici distinctive.

Patru secțiuni RC necesită schimbare de fază la 45 ° pentru fiecare secțiune, ceea ce înseamnă că acest oscilator vine cu un d outstanding / dt remarcabil pentru a reduce abaterile de frecvență.

Fiecare dintre secțiunile RC generează defazare la 45 °. Adică, deoarece avem ieșiri din secțiuni alternative, asigură ieșiri cu patratură cu impedanță redusă.

Ori de câte ori o ieșire este extrasă din fiecare opamp, circuitul produce patru unde sinusoidale defazate la 45 °. Ecuația buclei poate fi scrisă ca:

Când ⍵ = 1 / RC , ecuațiile de mai sus se micșorează în următoarele ecuații 7 și 8.

Câștigul, A, ar trebui să atingă valoarea de 4 pentru a iniția o oscilație.

Circuitul de analiză a oscilat la 1,76 kHz, spre deosebire de frecvența ideală de 1,72 kHz, în timp ce câștigul părea să fie de 4,17 în loc de câștigul ideal de 4.

Datorită unui câștig redus LA și amplificatori de curent cu polarizare redusă, rezistorul RG responsabil pentru fixarea câștigului nu încarcă secțiunea RC finală. Acest lucru garantează cea mai precisă ieșire a frecvenței oscilatorului.

Undele sinusoidale cu distorsiuni extrem de scăzute ar putea fi dobândite de la joncțiunea R și RG.

Ori de câte ori sunt necesare unde sinusoidale cu distorsiune redusă pe toate ieșirile, câștigul trebuie distribuit în mod egal între toate opampurile.

Intrarea fără inversare a amplificatorului amplificator este polarizată la 0,5 V pentru a crea tensiunea de ieșire în repaus la 2,5 V. Distribuția câștigului necesită polarizarea celorlalte opamps, dar cu siguranță nu are niciun impact asupra frecvenței oscilației.

Concluzii

În discuția de mai sus, am înțeles că oscilatoarele de fază amplificator Op sunt constrânse la capătul inferior al benzii de frecvență.

Acest lucru se datorează faptului că amplificatoarele operaționale nu au lățimea de bandă esențială pentru implementarea defazării scăzute la frecvențe mai mari.

Aplicarea amplificatoarelor opționale de feedback curent moderne în circuitele oscilatoarelor pare dificilă, deoarece acestea sunt foarte sensibile la capacitatea de feedback.

Op-amperii de feedback de tensiune sunt limitați la doar câțiva 100 kHz, deoarece acumulează o schimbare de fază excesivă.

Oscilatorul Wien-bridge funcționează folosind un număr mic de piese, iar stabilitatea frecvenței sale este foarte acceptabilă.

Dar, reducerea distorsiunii într-un oscilator Wien-bridge este mai puțin ușoară decât inițierea procesului de oscilare în sine.

Oscilatorul în cuadratură funcționează cu siguranță folosind câteva amplificatoare op, dar include o distorsiune mult mai mare. Cu toate acestea, oscilatoarele cu schimbare de fază, cum ar fi oscilatorul Bubba, prezintă o distorsiune mult mai mică, împreună cu o stabilitate decentă a frecvenței.

Acestea fiind spuse, funcționalitatea îmbunătățită a acestui tip de oscilatoare cu schimbare de fază nu este ieftină din cauza costurilor mai mari ale pieselor implicate în diferitele etape ale circuitului.

Site-uri Web conexe
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