Os amplatori opcijskog pojačala

Os amplatori opcijskog pojačala

Izgradnja oscilatora koja koristi op amp kao aktivni element naziva se op amp oscilator.



U ovom postu saznajemo kako dizajnirati oscilatore na osnovi opampa i s obzirom na mnoge kritične čimbenike potrebne za stvaranje stabilnog dizajna oscilatora.

Oscilatori bazirani na opcijskim pojačalima obično se koriste za generiranje preciznih, periodičnih valnih oblika poput kvadratnih, pilastih, trokutastih i sinusoidnih.





Općenito rade pomoću jednog aktivnog uređaja, svjetiljke ili kristala, a povezani su s nekoliko pasivnih uređaja poput otpornika, kondenzatora i prigušnica, kako bi generirali izlaz.


Kategorije opcijskog oscilatora

Pronaći ćete nekoliko primarnih skupina oscilatora: opuštajući i sinusoidni.



Oscilatori za opuštanje stvaraju trokutaste, pilaste i druge nesinuoidne valne oblike.

Sinusoidni oscilatori uključuju op-pojačala koja koriste dodatne dijelove naviknute na stvaranje oscilacija ili kristale koji imaju ugrađene generatore oscilacija.

Oscilatori sinusnog vala koriste se kao izvori ili ispitni valovi u brojnim aplikacijama kruga.

Čisti sinusni oscilator ima samo pojedinačnu ili osnovnu frekvenciju: idealno bez ikakvih harmonika.

Kao rezultat, sinusoidni val mogao bi biti ulaz u krug, koristeći proračunate izlazne harmonike kako bi popravio razinu izobličenja.

Valni oblici u relaksacijskim oscilatorima proizvode se kroz sinusoidne valove koji se zbrajaju kako bi se dobio propisani oblik.

Oscilatori su korisni za stvaranje konzistentnih impulsa koji se koriste kao referenca u aplikacijama poput zvuka, generatora funkcija, digitalnih sustava i komunikacijskih sustava.

Oscilatori sinusnog vala

Sinusoidalni oscilatori obuhvaćaju op-pojačala koja koriste RC ili LC sklopove koji sadrže podesive frekvencije oscilacija ili kristale koji imaju unaprijed određenu frekvenciju titranja.

Učestalost i amplituda titranja utvrđuju se odabirom pasivnih i aktivnih dijelova spojenih na središnje opcijsko pojačalo.

Oscilatori zasnovani na op-amp-u krugovi su stvoreni da budu nestabilni. Ne tip koji je ponekad neočekivano razvijen ili dizajniran u laboratoriju, već tip koji je namjerno izgrađen da bi i dalje bio u nestabilnom ili oscilatornom stanju.

Op-amp oscilatori vezani su za donji kraj frekvencijskog opsega zbog činjenice da opampama nedostaje potrebna širina pojasa za provođenje niskog faznog pomaka na visokim frekvencijama.

Opamperi s povratnim naponom ograničeni su na opseg niskih kHz, jer je njihov glavni pol otvorene petlje često samo 10 Hz.

Moderni opamperi s trenutnom povratnom spregom projektirani su sa znatno širim propusnim opsegom, ali ih je nevjerojatno teško primijeniti u oscilatornim krugovima jer su osjetljivi na povratni kapacitet.

Kristalni oscilatori preporučuju se u visokofrekventnim aplikacijama u rasponu od stotina MHz.


Osnovni zahtjevi

U najosnovnijem tipu, koji se naziva i kanonskim, koristi se metoda negativne povratne sprege.

To postaje preduvjet za pokretanje oscilacije kao što je prikazano na slici 1. Ovdje vidimo blok dijagram takve metode u kojoj je VIN fiksiran kao ulazni napon.

Vout označava izlaz iz bloka A.

β označava signal, koji se naziva i faktor povratne sprege, koji se dovodi natrag na zbrajni spoj.

E označava element pogreške ekvivalentan zbroju faktora povratne sprege i ulaznog napona.

Dobivene jednadžbe za oscilatorni krug mogu se vidjeti u nastavku. Prva jednadžba je važna koja definira izlazni napon. Jednadžba 2 daje faktor pogreške.

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

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

Uklanjanje faktora pogreške E iz gornjih jednadžbi daje

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

Izdvajanje elemenata u Voutu daje

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

Reorganizacija pojmova u gornjoj jednadžbi daje nam sljedeću klasičnu formulu povratnih informacija kroz jednadžbu br. 5

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

Oscilatori mogu raditi bez pomoći vanjskog signala. Umjesto toga, dio izlaznog impulsa koristi se kao ulaz kroz mrežu s povratnom pretplatom.

Oscilacija se pokreće kada povratna sprega ne uspije postići stabilno stabilno stanje. To se događa jer se radnja prijenosa ne ispuni.

Ova nestabilnost nastaje kada nazivnik jednadžbe # 5 postane nula, kao što je prikazano u nastavku:

1 + Aβ = 0, ili Aβ = -1.

Presudna stvar pri projektiranju oscilatornog kruga je osigurati Aβ = -1. Ovo se stanje naziva Barkhausenov kriterij .

Da bi se zadovoljio ovaj uvjet, postaje neophodno da vrijednost pojačanja petlje ostane na jedinici kroz odgovarajući fazni pomak od 180 stupnjeva. To se podrazumijeva pod negativnim predznakom u jednadžbi.

Gore navedeni rezultati mogu se alternativno izraziti kako je prikazano dolje pomoću simbola iz složene algebre:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Tijekom dizajniranja oscilatora pozitivnih povratnih informacija gornja jednadžba može se zapisati kao:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° što pojam Aβ u jednadžbi # 5 čini negativnim.

Kada je Aβ = -1, povratni izlaz nastoji se pomaknuti prema beskonačnom naponu.

Kad se ovo približi maksimalnoj razini opskrbe + ili -, aktivni uređaji razine pojačanja u krugovima se mijenjaju.

To uzrokuje da vrijednost A postane Aβ -1, usporavajući pristup beskonačnog napona povratne sprege, na kraju zaustavljajući ga.

Ovdje se može naći jedna od tri mogućnosti:

  1. Nelinearno zasićenje ili prekid koji uzrokuje stabilizaciju i zaključavanje oscilatora.
  2. Početno punjenje prisiljava sustav da se zasiti na mnogo dugo razdoblje prije nego što ponovno postane linearno i počne se približavati suprotnoj opskrbnoj tračnici.
  3. Sustav je i dalje u linearnom području i vraća se prema suprotnoj opskrbnoj tračnici.

U slučaju druge mogućnosti, dobivamo neizmjerno iskrivljene oscilacije, uglavnom u obliku kvazi kvadratnih valova.

Što je fazni pomak u oscilatorima

Pomak faze za 180 ° u jednadžbi Aβ = 1 ㄥ -180 ° stvara se kroz aktivnu i pasivnu komponentu.

Kao i svaki ispravno dizajnirani povratni krug, i oscilatori se grade na temelju faznog pomaka pasivnih komponenata.

To je zato što su rezultati pasivnih dijelova precizni i praktički bez nanosa. Fazni pomak stečen iz aktivnih komponenata uglavnom je netočan zbog mnogih čimbenika.

Može se pomaknuti s promjenama temperature, može pokazivati ​​široku početnu toleranciju, a također rezultati mogu ovisiti o karakteristikama uređaja.

Opcijska pojačala odabiru se kako bi se osiguralo da dovedu do minimalnog faznog pomaka na frekvenciju titranja.

Jednopolni RL (otpor-induktor) ili RC (otpor-kaapcitor) krug donosi približno 90 ° faznog pomaka po polu.

Budući da je za osciliranje potrebno 180 °, tijekom projektiranja oscilatora koriste se najmanje dva pola.

LC krug ima 2 pola, stoga osigurava fazni pomak za oko 180 ° za svaki par polova.

Međutim, ovdje nećemo raspravljati o dizajnu temeljenom na LC-u zbog uključivanja mreže niskofrekventnih prigušnica koje mogu biti skupe, glomazne i nepoželjne.

LC oscilatori su namijenjeni visokofrekventnim aplikacijama koje mogu biti veće od frekvencijskog područja opampa na temelju principa povratne sprege napona.

Ovdje možete pronaći da veličina, težina i cijena induktora nisu od velike važnosti.

Fazni pomak utvrđuje učestalost oscilacija, jer krug impulsira na frekvenciji koja postiže fazni pomak od 180 stupnjeva. Df / dt ili brzina kojom se fazni pomak mijenja s frekvencijom odlučuje o stabilnosti frekvencije.

Kada se koriste kaskadno puferirani RC odsječci u obliku opampera, koji nude visoku ulaznu i malu izlaznu impedansu, fazni pomak se množi s brojem sekcija, n (vidi sliku dolje).

Unatoč činjenici da dva kaskadna RC odsječka predstavljaju fazni pomak od 180 °, možda ćete naći dF / dt minimalnim na frekvenciji oscilatora.

Kao rezultat toga nude se oscilatori konstruirani pomoću dva kaskadna RC dijela neadekvatan stabilnost frekvencije.

Tri identična kaskadna odjeljka RC filtra pružaju povećani dF / dt, omogućujući oscilatoru poboljšanu stabilnost frekvencije.

Međutim, uvođenjem četvrtog RC odjeljka stvara se oscilator s izvanredan dF / dt.

Stoga ovo postaje izuzetno stabilna postavka oscilatora.

Četiri odjeljka su preferirana područja uglavnom zato što su opampi dostupni u četverostrukim paketima.

Također, četverosječni oscilator proizvodi 4 sinusna vala koji su u fazi pomaknuti za 45 ° u odnosu jedan na drugog, što znači da ovaj oscilator omogućuje primanje sinusnih / kosinusnih ili kvadraturnih sinusnih valova.

Korištenje kristala i keramičkih rezonatora

Kristalni ili keramički rezonatori pružaju nam najstabilnije oscilatore. To je zato što rezonatori dolaze s nevjerojatno visokim dF / dt kao rezultat njihovih nelinearnih svojstava.

Resonatori se primjenjuju u visokofrekventnim oscilatorima, međutim niskofrekventni oscilatori obično ne rade s rezonatorima zbog ograničenja veličine, težine i troškova.

Otkrićete da se op-pojačala ne koriste s keramičkim rezonatorskim oscilatorima uglavnom zato što opampi uključuju smanjenu propusnost.

Studije pokazuju da je jeftinije konstruirati visokofrekventni kristalni oscilator i smanjiti izlaz da bi se postigla niska frekvencija, umjesto da se ugradi niskofrekventni rezonator.


Dobitak u oscilatorima

Pojačanje oscilatora mora se podudarati jedan na frekvenciji titranja. Dizajn postaje stabilan kad je pojačanje veće od 1 i oscilacije se zaustave.

Čim pojačanje dosegne preko 1 uz fazni pomak od –180 °, nelinearno svojstvo aktivnog uređaja (opamp) spušta pojačanje na 1.

Kada se dogodi nelinearnost, opamp se ljulja blizu bilo koje (+/-) razine napajanja zbog smanjenja granične vrijednosti ili zasićenja pojačanja aktivnog uređaja (tranzistora).

Jedna neobična stvar je da loše dizajnirani sklopovi zapravo zahtijevaju granične dobitke veće od 1 tijekom njihove proizvodnje.

S druge strane, veće pojačanje dovodi do veće količine izobličenja za izlazni sinusni val.

U slučajevima kada je dobitak minimalan, oscilacije prestaju pod ekstremno nepovoljnim okolnostima.

Kada je pojačanje vrlo visoko, čini se da je izlazni valni oblik mnogo sličniji kvadratnom, umjesto sinusnom valu.

Izobličenja su obično neposredna posljedica prevelikog pojačanja prekomjernog pogona pojačala.

Stoga treba pažljivo upravljati pojačanjem za postizanje oscilatora s malim izobličenjem.

Oscilatori s faznim pomakom mogu pokazivati ​​izobličenja, no oni mogu imati sposobnost postizanja izlaznih napona s malim izobličenjima pomoću puferiranih kaskadnih RC sekcija.

To je zato što se kaskadni RC odjeljci ponašaju kao filtri za iskrivljenje. Nadalje, puferirani oscilatori faznog pomaka imaju mala izobličenja jer se pojačanjem upravlja i jednoliko uravnotežuje između međuspremnika.

Zaključak

Iz gornje rasprave naučili smo osnovni princip rada opamp oscilatora i razumjeli temeljne kriterije za postizanje trajnih oscilacija. U sljedećem postu ćemo naučiti o tome Oscilatori Wien-mosta .




Prethodno: Kako ispravno riješiti probleme sa sklopovima tranzistora (BJT) Dalje: Oscilator faznog pomicanja - Wien-Bridge, puferirani, kvadraturni, Bubba