Op amp-oscillatorer

Op amp-oscillatorer

En oscillatoropbygning ved hjælp af en op-forstærker, da det aktive element kaldes en op-amp-oscillator.



I dette indlæg lærer vi at designe opamp-baserede oscillatorer og om de mange kritiske faktorer, der kræves for at generere et stabilt oscillatordesign.

Op-amp-baserede oscillatorer bruges normalt til at generere præcise, periodiske bølgeformer som firkantet, savtand, trekantet og sinusformet.





Generelt fungerer de ved hjælp af en enkelt aktiv enhed eller en lampe eller en krystal og forbundet med et par passive enheder som modstande, kondensatorer og induktorer for at generere output.


Op-amp oscillatorkategorier

Du finder et par primære grupper af oscillatorer: afslapning og sinusformet.



Afslapningsoscillatorer producerer de trekantede, savtands og andre ikke-kontinuerlige bølgeformer.

Sinusformede oscillatorer inkorporerer op-forstærkere ved hjælp af yderligere dele, der er vant til at skabe oscillation eller krystaller, der har indbyggede oscillationsgeneratorer.

Sinusbølgeoscillatorer anvendes som kilder eller testbølgeformer i mange kredsløbsapplikationer.

En ren sinusformet oscillator har udelukkende en individuel eller grundlæggende frekvens: ideelt set uden overtoner.

Som et resultat kunne en sinusformet bølge være indgangen til et kredsløb ved hjælp af beregnede outputovertoner til at fastsætte niveauet af forvrængning.

Bølgeformerne i afslapningsoscillatorer produceres gennem sinusformede bølger, som summeres for at levere den bestemte form.

Oscillatorer er nyttige til frembringelse af ensartede impulser, der bruges som reference i applikationer som lyd, funktionsgeneratorer, digitale systemer og kommunikationssystemer.

Sine Wave oscillatorer

Sinusformede oscillatorer omfatter op-forstærkere ved hjælp af RC- eller LC-kredsløb, der indeholder justerbare svingningsfrekvenser eller krystaller, der har en forudbestemt svingningsfrekvens.

Frekvensen og amplituden for oscillation bestemmes ved valget af passive og aktive dele tilsluttet den centrale op-amp.

Op-amp-baserede oscillatorer er kredsløb, der er oprettet for at være ustabile. Ikke den type, som til tider uventet er udviklet eller designet i laboratoriet, snarere typer, der bevidst er bygget til fortsat at være i en ustabil eller oscillerende tilstand.

Op-amp oscillatorer er bundet til den nederste ende af frekvensområdet på grund af det faktum, at opamps mangler den nødvendige båndbredde til implementering af lavfaseskift ved høje frekvenser.

Spændingsfeedback-opamper er begrænset til et lavt kHz-interval, da deres primære, åbne-loop-pol ofte er så lille som 10 Hz.

De moderne strøm-feedback opamper er designet med betydelig bredere båndbredde, men disse er utroligt vanskelige at implementere i oscillatorkredsløb, da de er følsomme over for feedback kapacitans.

Krystaloscillatorer anbefales i højfrekvente applikationer i området hundreder af MHz-området.


Grundlæggende krav

I den mest basale type, også kaldet den kanoniske type, anvendes en negativ feedback-metode.

Dette bliver forudsætningen for at starte oscillationen som vist i figur 1. Her ser vi blokdiagrammet for en sådan metode, hvor VIN er fast som indgangsspændingen.

Vout betegner output fra blokken A.

β betegner signalet, også kaldet feedbackfaktoren, som leveres tilbage til summeringskrydset.

E betyder fejlelement svarende til summen af ​​feedbackfaktoren og indgangsspændingen.

De resulterende ligninger for et oscillatorkredsløb kan ses nedenfor. Den første ligning er den vigtige, der definerer udgangsspændingen. Ligning 2 giver fejlfaktoren.

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

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

Fjernelse af fejlfaktoren E fra ovenstående ligninger giver

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

Uddrag af elementerne i Vout giver

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

Omorganisering af termerne i ovenstående ligning giver os følgende klassiske feedbackformel gennem ligning # 5

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

Oscillatorer er i stand til at arbejde uden hjælp fra et eksternt signal. En del af outputpulsen bruges snarere som input via et tilbagebetalt netværk.

En svingning initieres, når feedbacken ikke opnår en stabil steady state. Dette sker, fordi overførselshandlingen ikke bliver gennemført.

Denne ustabilitet opstår, når nævneren for ligning # 5 bliver nul, som vist nedenfor:

1 + Aβ = 0 eller Aβ = -1.

Det afgørende ved design af et oscillatorkredsløb er at sikre Aβ = -1. Denne tilstand kaldes Barkhausen-kriterium .

For at tilfredsstille denne betingelse bliver det vigtigt, at loopforstærkningsværdien forbliver i enhed gennem en tilsvarende 180 graders faseforskydning. Dette forstås af det negative tegn i ligningen.

Ovenstående resultater kan alternativt udtrykkes som vist nedenfor ved hjælp af symboler fra kompleks algebra:

Ap = 1 -180 °

Under design af en positiv feedback-oscillator kan ovenstående ligning skrives som:

Ap = 1 - 0 ° hvilket gør udtrykket Aβ i ligning # 5 negativ.

Når Aβ = -1, har tilbagemeldingsoutputtet en tendens til at bevæge sig mod en uendelig spænding.

Når dette nærmer sig det maksimale + eller - forsyningsniveau, ændres forstærkningsniveauet aktive enheder i kredsløbene.

Dette får værdien af ​​A til at blive Aβ ≠ -1, hvilket nedsætter den uendelige spændingsmetode for feedback og til sidst standser den.

Her finder vi muligvis en af ​​de tre muligheder, der sker:

  1. Ikke-lineær mætning eller afskæring, der får oscillatoren til at stabilisere sig og låse.
  2. Den oprindelige ladning, der tvinger systemet til at blive mættet i en meget lang periode, før det igen bliver lineært og begynder at nærme sig den modsatte forsyningsskinne.
  3. Systemet er fortsat i det lineære område og vender tilbage mod den modsatte forsyningsskinne.

I tilfælde af den anden mulighed får vi en enorm forvrænget svingning, generelt i form af kvasi firkantede bølger.

Hvad er faseskift i oscillatorer

180 ° faseforskydningen i ligningen Aβ = 1 ㄥ -180 ° skabes gennem de aktive og passive komponenter.

Ligesom ethvert korrekt designet feedback-kredsløb er oscillatorer bygget baseret på faseskiftet af de passive komponenter.

Dette skyldes, at resultaterne fra passive dele er nøjagtige og praktisk talt uden drift. Faseskiftet erhvervet fra aktive komponenter er for det meste unøjagtigt på grund af mange faktorer.

Det kan svinge med temperaturændringer, kan vise bred starttolerance, og resultaterne kan også afhænge af enhedens karakteristik.

Op-forstærkere vælges for at sikre, at de medfører minimum faseforskydning til svingningsfrekvensen.

Et enkeltpolet RL (modstandsinduktor) eller RC (modstand-kondensator) kredsløb bringer ca. 90 ° faseforskydning pr. Pol.

Da 180 ° er nødvendig for svingning, anvendes mindst to poler under design af en oscillator.

Et LC-kredsløb har 2 poler og giver derfor omkring 180 ° faseforskydning for hvert polpar.

Vi diskuterer dog ikke LC-baserede designs her på grund af involveringen af ​​lavfrekvente induktorer, der kan være dyre, omfangsrige og uønskede.

LC-oscillatorer er beregnet til højfrekvente applikationer, der kan være ud over frekvensområdet for opamper baseret på spændingsfeedback-princippet.

Her finder du måske induktorens størrelse, vægt og pris ikke er meget vigtig.

Faseskift fastslår svingningsfrekvensen, da kredsløbet pulserer ved frekvensen, der henter en faseforskydning på 180 degress. Df / dt eller den hastighed, hvormed faseforskydningen ændres med frekvens, bestemmer frekvensstabilitet.

Når kaskadebufrede RC-sektioner bruges i form af opamps, der tilbyder højinput- og lavudgangsimpedans, multipliceres faseskiftet med antallet af sektioner, n (se figur nedenfor).

På trods af at to kaskadede RC-sektioner præsenterer 180 ° faseforskydning, kan du muligvis finde dФ / dt at være minimal ved oscillatorfrekvensen.

Som et resultat tilbyder oscillatorer konstrueret ved hjælp af to kaskadede RC-sektioner utilstrækkelig frekvensstabilitet.

Tre identiske kaskadede RC-filtersektioner giver en øget dФ / dt, hvilket muliggør oscillatoren med en forbedret frekvensstabilitet.

Imidlertid opretter en fjerde RC-sektion en oscillator med en fremragende dФ / dt.

Derfor bliver dette en ekstremt stabil oscillatoropsætning.

Fire sektioner er tilfældigvis det foretrukne område, hovedsageligt fordi opamps er tilgængelige i quad-pakker.

Desuden producerer oscillatoren med fire sektioner 4 sinusbølger, der er faseforskudt i 45 ° i forhold til hinanden, hvilket betyder, at denne oscillator giver dig mulighed for at få fat i sinus / cosinus eller kvadratur sinusbølger.

Brug af krystaller og keramiske resonatorer

Krystal- eller keramikresonatorer giver os de mest stabile oscillatorer. Dette skyldes, at resonatorer kommer med en utrolig høj dФ ​​/ dt som et resultat af deres ikke-lineære egenskaber.

Resonatorer anvendes i højfrekvente oscillatorer, men lavfrekvente oscillatorer fungerer normalt ikke med resonatorer på grund af størrelse, vægt og omkostningsbegrænsninger.

Du finder ud af, at op-forstærkere ikke bruges med keramiske resonatoroscillatorer, hovedsageligt fordi opamper inkluderer en reduceret båndbredde.

Undersøgelser viser, at det er billigere at konstruere en højfrekvent krystaloscillator og trimme udgangen for at erhverve en lav frekvens i stedet for at inkorporere en lavfrekvent resonator.


Gevinst i oscillatorer

Forøgelsen af ​​en oscillator skal matche en ved svingningsfrekvensen. Designet bliver stabilt, når forstærkningen er større end 1, og svingningerne stopper.

Så snart forstærkningen når over 1 sammen med en faseforskydning på –180 °, falder den ikke-lineære egenskab af den aktive enhed (opamp) forstærkningen til 1.

Når der ikke opstår linearitet, svinger opampen nær enten (+/-) forsyningsniveauerne på grund af reduktionen i afskæringen eller mætningen af ​​den aktive enheds (transistor) forstærkning.

En underlig ting er, at de dårligt designede kredsløb faktisk kræver marginale gevinster på over 1 under deres produktion.

På den anden side fører højere forstærkning til større forvrængning af udgangssinusbølgen.

I tilfælde, hvor gevinsten er minimal, ophører svingningerne under ekstreme ugunstige omstændigheder.

Når forstærkningen er meget høj, ser udgangsbølgeformen til at være meget mere lig en firkantbølge i stedet for en sinusbølge.

Forvrængning er normalt en øjeblikkelig konsekvens af for meget forstærkning, der overstyrer forstærkeren.

Derfor skal gevinst styres med forsigtighed for at opnå oscillatorer med lav forvrængning.

Faseforskydningsoscillatorer kan vise forvrængninger, men de kan muligvis opnå en udgangsspænding med lav forvrængning ved hjælp af bufrede kaskadede RC-sektioner.

Dette skyldes, at kaskadede RC-sektioner opfører sig som forvrængningsfiltre. Desuden oplever buffrede faseforskydningsoscillatorer lav forvrængning, da forstærkningen styres og afbalanceres ensartet mellem bufferne.

Konklusion

Fra ovenstående diskussion lærte vi det grundlæggende funktionsprincip for opamp-oscillatorer og forstås med hensyn til de grundlæggende kriterier for at opnå vedvarende svingninger. I det næste indlæg lærer vi om Wien-bridge oscillatorer .




Forrige: Sådan fejlfindes transistor (BJT) kredsløb korrekt Næste: Phase Shift Oscillator - Wien-Bridge, Buffered, Quadrature, Bubba