Oscilator faznog pomaka - Wien-Bridge, puferirani, kvadraturni, Bubba

Oscilator s faznim pomakom oscilator je sklop osmišljen da generira sinusni izlaz. Funkcionira s jednim aktivnim elementom poput BJT-a ili opcijskog pojačala konfiguriranog u načinu invertirajućeg pojačala.

Raspored kruga stvara povratnu informaciju s izlaza na ulaz pomoću RC (otpornika / kondenzatora) sklopa raspoređenog u mrežu ljestvičastih vrsta. Uvođenje ove povratne informacije uzrokuje pozitivan 'pomak' u fazi izlaza iz pojačala za 180 stupnjeva na frekvenciji oscilatora.

Veličina faznog pomaka stvorena RC mrežom ovisi o frekvenciji. Veće frekvencije oscilatora stvaraju veću količinu faznog pomaka.

Sljedeća opsežna objašnjenja pomoći će nam da detaljnije naučimo koncept.

U prethodni post naučili smo o kritičkim razmatranjima koja su potrebna prilikom dizajniranja oscilatora faznog pomaka na bazi op-pojačala. U ovom postu nastavit ćemo dalje i znati više o vrste oscilatora faznog pomaka i kako izračunati uključene parametre putem formula.

Wien-bridge krug

Dijagram u nastavku prikazuje postavljanje Wien-bridge kruga.

Ovdje možemo prekinuti petlju na pozitivnom ulazu opampa i izračunati povratni signal pomoću sljedeće jednadžbe 2:

Kada ⍵ = 2πpf = 1 / RC , povratna informacija je u fazi (pozitivna povratna informacija), koja ima dobit od 1/3 .

Stoga oscilacijama treba opamp krug da dobije 3.

Kad je R F = 2R G , pojačanje pojačala je 3 i oscilacija započinje pri f = 1 / 2πRC.

U našem eksperimentu sklop je oscilirao na 1,65 kHz umjesto na 1,59 kHz koristeći naznačene vrijednosti dijelova na slici 3, ali s prividnim izobličenjima.

Sljedeća slika u nastavku prikazuje Wien-bridge krug koji ima nelinearne povratne informacije .

Možemo vidjeti žarulju RL čiji je otpor niti odabran vrlo nizak, oko 50% vrijednosti povratnog otpora RF, jer je struja žarulje definirana RF i RL.

Odnos između struje žarulje i otpora žarulje koji je nelinearan, pomaže u održavanju varijacija izlaznog napona na minimalnoj razini.

Također možete pronaći mnoge sklopove koji uključuju diodu umjesto gore objašnjenog koncepta nelinearnog povratnog elementa.

Korištenje diode pomaže smanjiti razinu izobličenja nudeći nježnu kontrolu izlaznog napona.

Međutim, ako vam gore navedene metode nisu naklonjene, morate se odlučiti za AGC metode, koje identično pomažu u smanjenom izobličenju.

Uobičajeni oscilator Wien-mosta koji koristi AGC krug prikazan je na sljedećoj slici.

Ovdje uzorkuje negativni sinusni val pomoću D1, a uzorak je pohranjen unutar C1.

R1 i R2 izračunati su tako da usmjere pristranost na Q1 kako bi se osiguralo da (R G + R Q1 ) jednako je R F / 2 s očekivanim izlaznim naponom.

Ako izlazni napon teži rasti, otpor Q1 raste, što posljedično smanjuje pojačanje.

U prvom Wienovom oscilatornom krugu mosta može se primijeniti napajanje od 0,833 volta na pozitivnom ulaznom pinu opampa. To je učinjeno kako bi se izlazni napon mirnog stanja centrirao na VCC / 2 = 2,5 V.

Oscilator s faznim pomakom (jedan opamp)

Oscilator s faznim pomakom također se može konstruirati koristeći samo jedan opamp kao što je gore prikazano.

Uobičajeno je razmišljanje da su u krugovima s faznim pomakom stupnjevi izolirani i da se međusobno upravljaju. To nam daje sljedeću jednadžbu:

Kada je fazni pomak pojedinog presjeka –60 °, fazni pomak petlje je = –180 °. To se događa kad ⍵ = 2πpf = 1,732 / RC budući da je tangenta 60 ° = 1,73.

Vrijednost β u ovom trenutku je (1/2)³, što znači da dobitak A mora biti na razini 8 da bi pojačanje sustava bilo na razini 1.

U ovom dijagramu utvrđeno je da je frekvencija titranja za naznačene vrijednosti dijelova 3,76 kHz, a ne prema izračunatoj frekvenciji titranja 2,76 kHz.

Štoviše, izmjereno je pojačanje potrebno za pokretanje oscilacije koje je 26, a ne prema izračunatom pojačanju od 8.

Ovakve netočnosti donekle su posljedica nesavršenosti komponenata.

Međutim, najznačajniji utjecajni aspekt posljedica je pogrešnih predviđanja da RC faze nikada ne utječu jedna na drugu.

Ova postavka jednog opamatskog kruga nekad je bila prilično poznata u vremenima kada su aktivne komponente bile glomazne i skupe.

Danas su op-pojačala ekonomična i kompaktna, a dostupna su s četiri broja u jednom paketu, stoga je jedan opamp-oscilator s faznim pomakom na kraju izgubio prepoznatljivost.

Puferirani oscilator faznog pomaka

Na gornjoj slici možemo vidjeti puferirani oscilator faznog pomaka koji pulsira na 2,9 kHz umjesto očekivane idealne frekvencije od 2,76 kHz i s pojačanjem od 8,33 za razliku od idealnog pojačanja od 8.

Međuspremnici zabranjuju međusobni utjecaj RC odsjeka, pa stoga puferirani oscilatori faznog pomaka mogu raditi bliže izračunatoj frekvenciji i pojačanju.

Otpornik RG odgovoran za podešavanje pojačanja učitava treći RC odjeljak, dopuštajući 4. opampu u četverostrukom opampu da djeluje kao međuspremnik za ovaj RC odjeljak. To dovodi do toga da razina učinkovitosti dosegne idealnu vrijednost.

Možemo izvući sinusni val s malim izobličenjima iz bilo kojeg stupnja oscilatora s faznim pomakom, ali najprirodniji sinusni val može se izvesti iz rezultata posljednjeg RC odjeljka.

To je obično spoj niske struje visoke impedancije, stoga se ovdje mora koristiti krug s ulaznim stupnjem visoke impedance kako bi se izbjegla opterećenja i odstupanja frekvencije kao odgovor na varijacije opterećenja.

Kvadraturni oscilator

Kvadraturni oscilator je još jedna verzija oscilatora s faznim pomakom, međutim tri RC stupnja sastavljena su na način da svaki odjeljak zbroji 90 ° faznog pomaka.

Izlazi se nazivaju sinusima i kosinusima (kvadraturama) jednostavno zato što postoji fazni pomak od 90 ° među opamp izlazima. Dobitak petlje određuje se jednadžbom 4.

S ⍵ = 1 / RC , Jednadžba 5 pojednostavljuje na 1√ - 180 ° , što dovodi do oscilacija na ⍵ = 2πpf = 1 / RC.

Eksperimentirani krug pulsirao je na 1,65 kHz za razliku od izračunate vrijednosti 1,59 kHz, a razlika je uglavnom posljedica varijacija vrijednosti dijela.

Bubba oscilator

Gore prikazani Bubba oscilator još je jedna varijanta oscilatora s faznim pomakom, ali uživa blagodati paketa četverostrukog pojačala za nekoliko karakterističnih karakteristika.

Četiri RC odsječka zahtijevaju fazni pomak za 45 ° za svaki odjeljak, što znači da ovaj oscilator dolazi s izvanrednim dΦ / dt za smanjenje frekvencijskih odstupanja.

Svaki od RC odjeljaka generira fazni pomak od 45 °. Što znači, jer imamo izlaze iz zamjenskih dijelova, osigurava kvadraturne izlaze s niskom impedansom.

Kad god se iz svakog opampa izvuče izlaz, sklop proizvodi četiri sinusna vala s faznim pomicanjem od 45 °. Jednadžba petlje može se zapisati kao:

Kada ⍵ = 1 / RC , gornje jednadžbe se smanjuju u sljedeće jednadžbe 7 i 8.

Dobitak A trebao bi doseći vrijednost 4 da bi se pokrenulo osciliranje.

Analizni krug oscilirao je na 1,76 kHz za razliku od idealne frekvencije 1,72 kHz, dok se činilo da je pojačanje 4,17 umjesto idealnog pojačanja 4.

Zbog smanjenog dobitka DO i optička pojačala s niskom pristranošću, otpornik RG odgovoran za fiksiranje pojačanja ne opterećuje konačni RC odjeljak. To jamči najtočniji izlaz frekvencije oscilatora.

Iz spoja R i RG mogli bi se dobiti sinusni valovi izuzetno niskog izobličenja.

Kad god su potrebni sinusni valovi s malim izobličenjima na svim izlazima, dobitak bi zapravo trebao biti ravnomjerno raspoređen između svih opampa.

Neinvertirajući ulaz pojačala op-pojačala je pristran na 0,5 V da stvori mirni izlazni napon na 2,5 V. Raspodjela pojačanja zahtijeva pristranost ostalih opampa, ali zasigurno nema utjecaja na frekvenciju titranja.

Zaključci

U gornjoj raspravi shvatili smo da su oscilatori faznog pomaka Op amp ograničeni na donji kraj frekvencijskog pojasa.

To je zbog činjenice da op-pojačala nemaju bitnu širinu pojasa za provođenje niskog faznog pomaka na višim frekvencijama.

Primjena modernih strujnih povratnih pojačala u oscilatornim krugovima izgleda teško, jer su vrlo osjetljiva na povratni kapacitet.

Op-pojačala s povratnim naponom ograničena su na samo nekoliko 100 kHz jer stvaraju pretjerani fazni pomak.

Wien-bridge oscilator radi na malom broju dijelova i njegova frekvencijska stabilnost je vrlo prihvatljiva.

Ali, ublažavanje izobličenja u oscilatoru Wien-mosta manje je jednostavno nego pokretanje samog procesa oscilacije.

Kvadraturni oscilator sigurno radi pomoću nekoliko op-pojačala, ali uključuje mnogo veća izobličenja. Međutim, oscilatori s faznim pomakom, poput Bubbinog oscilatora, pokazuju znatno manja izobličenja, uz poneku pristojnu frekvencijsku stabilnost.

Rekavši to, poboljšana funkcionalnost ove vrste oscilatora s faznim pomicanjem nije jeftina zbog većih troškova uključenih dijelova u različitim fazama kruga.

Povezane web stranice
www.ti.com/sc/pojačala
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