En faseforskydningsoscillator er et oscillatorkredsløb designet til at generere en sinusbølgeoutput. Det fungerer med et enkelt aktivt element såsom en BJT eller en op-forstærker konfigureret i en inverterende forstærker-tilstand.
Kredsløbsarrangementet skaber en feedback fra udgangen til indgangen ved hjælp af et RC (modstand / kondensator) kredsløb arrangeret i et stigenetværk. Indførelsen af denne feedback forårsager et positivt 'skift' i fasen af output fra forstærkeren med 180 grader ved oscillatorfrekvensen.
Størrelsen af faseforskydning oprettet af RC-netværket er frekvensafhængig. Højere oscillatorfrekvenser skaber større mængde faseforskydning.
Følgende omfattende forklaringer hjælper os med at lære konceptet i flere detaljer.
I forrige indlæg vi lærte om de kritiske overvejelser, der kræves, når vi designer en op-amp-baseret faseforskydningsoscillator. I dette indlæg vil vi tage det længere fremme og vide mere om typer faseforskydningsoscillatorer og hvordan man beregner de involverede parametre gennem formler.
Wien-bro-kredsløb
Nedenstående diagram viser opsætningen af Wien-bridge kredsløb.
Her kan vi bryde sløjfen ved opampens positive input og beregne det returnerende signal ved hjælp af følgende ligning 2:
Hvornår ⍵ = 2πpf = 1 / RC , er feedbacken i fase (positiv feedback) og har en gevinst på 1/3 .
Derfor har svingningerne brug for opamp-kredsløbet for at have en forstærkning på 3.
Når R F = 2R G , forstærkerforstærkning er 3, og oscillation initieres ved f = 1 / 2πRC.
I vores eksperiment svingede kredsløbet ved 1,65 kHz i stedet for 1,59 kHz ved hjælp af de angivne delværdier i figur 3, men med en tilsyneladende forvrængning.
Den næste figur nedenfor viser, at et Wien-bro-kredsløb har ikke-lineær feedback .
Vi kan se en lampe RL, hvis glødemodstand er valgt meget lav, ca. 50% af feedbackmodstandsværdien af RF, da lampestrømmen er defineret af RF og RL.
Forholdet mellem lampestrøm og lampemodstand er ikke-lineær, hjælper med at holde udgangsspændingsvariationerne på et minimumsniveau.
Du kan også finde mange kredsløb, der indeholder diode i stedet for det ovenfor forklarede ikke-lineære feedbackelementkoncept.
Brug af en diode hjælper med at mindske forvrængningsniveauet ved at tilbyde en blid udgangsspændingskontrol.
Men hvis ovenstående metoder ikke er gunstige for dig, skal du gå efter AGC-metoder, hvilket identisk hjælper med at få en reduceret forvrængning.
En almindelig Wien-bridge-oscillator, der bruger et AGC-kredsløb, vises i følgende figur.
Her prøver den den negative sinusbølge ved hjælp af D1, og prøven lagres inde i C1.
R1 og R2 beregnes således, at den centrerer forspændingen på Q1 for at sikre, at (R G + R Q1 ) er lig med R F / 2 med den forventede udgangsspænding.
Hvis udgangsspændingen har tendens til at blive højere, stiger modstanden for Q1 og sænker følgelig forstærkningen.
I det første Wien bridge-oscillatorkredsløb kan 0,833 volt forsyningen ses påført den positive opamp-indgangsstift. Dette blev gjort for at centrere udgangsspændingen ved VCC / 2 = 2,5 V.
Fase-shift oscillator (en opamp)
En faseforskydningsoscillator kan også konstrueres ved hjælp af kun en enkelt opamp som vist ovenfor.
Den konventionelle tænkning er, at i faseforskydningskredsløb er stadierne isoleret og selvstyrende af hinanden. Dette giver os følgende ligning:
Når faseforskydningen for den enkelte sektion er –60 °, er loopefaseforskydningen = –180 °. Dette sker når ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC siden tangenten 60 ° = 1,73.
Værdien af β i dette øjeblik tilfældigvis er (1/2)3, hvilket betyder, at forstærkningen, A, skal være med et niveau på 8 for at systemforstærkningen skal være med et niveau på 1.
I dette diagram blev svingningsfrekvensen for de angivne delværdier fundet at være 3,76 kHz og ikke i henhold til den beregnede svingningsfrekvens på 2,76 kHz.
Desuden blev den nødvendige forstærkning til at indlede svingning målt til at være 26 og ikke som pr. Den beregnede forstærkning på 8.
Disse slags unøjagtigheder skyldes til en vis grad komponentfejl.
Imidlertid skyldes det mest betydningsfulde aspekt de forkerte forudsigelser om, at RC-stadierne aldrig påvirker hinanden.
Denne opsætning af et enkelt opamp-kredsløb plejede at være ret kendt på tidspunkter, hvor aktive komponenter var store og dyre.
I dag er op-forstærkere økonomiske og kompakte og fås med fire numre i en enkelt pakke, hvorfor den enkelte opamp fase-shift oscillator til sidst har mistet sin anerkendelse.
Buffer faseskiftoscillator
Vi kan se en bufret faseforskydningsoscillator i ovenstående figur, der pulserer ved 2,9 kHz i stedet for den forventede ideelle frekvens på 2,76 kHz og med en forstærkning på 8,33 i modsætning til en ideel forstærkning på 8.
Bufferne forbyder RC-sektionerne at påvirke hinanden, og derfor er de bufrede faseforskydningsoscillatorer i stand til at fungere tættere på den beregnede frekvens og forstærkning.
Modstanden RG, der er ansvarlig for forstærkningsindstillingen, indlæser den tredje RC-sektion, så den 4. opamp i en quad-opamp kan fungere som en buffer for denne RC-sektion. Dette får effektivitetsniveauet til at nå en ideel værdi.
Vi kan udtrække en sinusbølge med lav forvrængning fra et hvilket som helst af faseforskydningsoscillatorstadierne, men den mest naturlige sinusbølge kan udledes fra output fra den sidste RC-sektion.
Dette er normalt en højimpedans-lavstrømskryds, derfor skal et kredsløb med et højimpedansindgangstrin bruges her for at undgå belastning og frekvensafvigelser som reaktion på belastningsvariationer.
Kvadraturoscillator
Kvadraturoscillatoren er en anden version af faseforskydningsoscillator, men de tre RC-trin er sammensat på en måde, så hvert afsnit tilføjer 90 ° faseforskydning.
Udgangene hedder sinus og cosinus (kvadratur) simpelthen fordi der findes en 90 ° faseforskydning blandt opamp-udgange. Loopforstærkning bestemmes gennem ligning 4.
Med ⍵ = 1 / RC , For ligning 5 forenkles til 1√ - 180 ° , der fører til svingninger ved ⍵ = 2πpf = 1 / RC.
Det eksperimenterede kredsløb pulserede ved 1,65 kHz i modsætning til den beregnede værdi på 1,59 kHz, og forskellen skyldes hovedsagelig variationer i delværdier.
Bubba oscillator
Bubba-oscillatoren vist ovenfor er endnu en variant af faseforskydningsoscillator, men den nyder fordelen af quad op-amp-pakken for at producere et par karakteristiske træk.
Fire RC-sektioner kræver 45 ° faseforskydning for hvert afsnit, hvilket betyder, at denne oscillator leveres med en fremragende dΦ / dt for at reducere frekvensafvigelser.
Hver af RC-sektionerne genererer 45 ° faseforskydning. Betydning, fordi vi har udgange fra alternative sektioner, garanterer kvadraturudgange med lav impedans.
Hver gang et output ekstraheres fra hver opamp, producerer kredsløbet fire 45 ° faseskiftede sinusbølger. Loopligningen kan skrives som:
Hvornår ⍵ = 1 / RC'er , krymper ovenstående ligninger til de følgende ligninger 7 og 8.
Forstærkningen, A, skal nå værdien 4 for at starte en svingning.
Analysekredsløbet svingede ved 1,76 kHz i modsætning til den ideelle frekvens 1,72 kHz, mens forstærkningen syntes at være 4,17 i stedet for den ideelle forstærkning på 4.
På grund af en reduceret gevinst TIL og lave forspændingsstrøm op-ampere, modstanden RG, der er ansvarlig for at fastsætte forstærkningen, indlæser ikke den sidste RC-sektion. Dette garanterer den mest nøjagtige oscillatorfrekvensoutput.
Ekstremt sinusbølger med lav forvrængning kunne erhverves fra krydset mellem R og RG.
Når der er behov for sinusbølger med lav forvrængning på tværs af alle udgange, skal forstærkningen faktisk fordeles ligeligt mellem alle opamperne.
Den ikke-inverterende indgang på forstærknings-op-forstærkeren er forspændt ved 0,5 V for at skabe den hvilende udgangsspænding ved 2,5 V. Forstærkningsfordeling nødvendiggør forspænding af de andre opamper, men det har bestemt ingen indflydelse på svingningsfrekvensen.
Konklusioner
I ovenstående diskussion forstod vi, at Op amp-faseforskydningsoscillatorer er begrænset til den nedre ende af frekvensbåndet.
Dette skyldes, at op-forstærkere ikke har den essentielle båndbredde til implementering af lav faseskift ved højere frekvenser.
Anvendelse af moderne strøm-feedback op-forstærkere i oscillatorkredsløb ser vanskeligt ud, da disse er meget følsomme over for feedback kapacitans.
Spændingsfeedback op-forstærkere er begrænset til blot nogle få 100 kHz, da de opbygger overdreven faseforskydning.
Wien-bridge-oscillatoren fungerer ved hjælp af et lille antal dele, og dens frekvensstabilitet er meget acceptabel.
Men at mindske forvrængningen i en Wien-bridge-oscillator er mindre nemmere end at indlede selve svingningsprocessen.
Kvadraturoscillatoren kører helt sikkert ved hjælp af et par op-forstærkere, men den inkluderer meget højere forvrængning. Imidlertid udviser faseforskydningsoscillatorer, som Bubba-oscillatoren, meget lavere forvrængning sammen med en anstændig frekvensstabilitet.
Når det er sagt, bliver den forbedrede funktionalitet af denne type faseforskydningsoscillatorer ikke billig på grund af højere omkostninger for de involverede dele på tværs af de forskellige faser af kredsløbet.
Relaterede websteder
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 Næste: 1000 watt til 2000 watt forstærkerkredsløb
