Oscylatory wzmacniacza operacyjnego

Budowa oscylatora wykorzystująca wzmacniacz operacyjny jako element aktywny nazywana jest oscylatorem wzmacniacza operacyjnego.

W tym poście dowiemy się, jak projektować oscylatory oparte na wzmacniaczu operacyjnym oraz jak wiele krytycznych czynników jest wymaganych do wygenerowania stabilnej konstrukcji oscylatora.

Oscylatory oparte na wzmacniaczu operacyjnym są zwykle używane do generowania precyzyjnych, okresowych przebiegów, takich jak kwadratowy, piłokształtny, trójkątny i sinusoidalny.

Zasadniczo działają przy użyciu pojedynczego urządzenia aktywnego, lampy lub kryształu i są powiązane z kilkoma urządzeniami pasywnymi, takimi jak rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne, w celu wygenerowania sygnału wyjściowego.

Kategorie oscylatorów wzmacniacza operacyjnego

Znajdziesz kilka podstawowych grup oscylatorów: relaksacyjne i sinusoidalne.

Oscylatory relaksacji wytwarzają trójkątne, piłokształtne i inne nieciągłe przebiegi.

Oscylatory sinusoidalne zawierają wzmacniacze operacyjne wykorzystujące dodatkowe części przyzwyczajone do generowania oscylacji lub kryształy, które mają wbudowane generatory oscylacji.

Oscylatory sinusoidalne są wykorzystywane jako źródła lub przebiegi testowe w wielu zastosowaniach obwodów.

Czysty oscylator sinusoidalny ma wyłącznie częstotliwość indywidualną lub podstawową: najlepiej bez żadnych harmonicznych.

W rezultacie fala sinusoidalna może być wejściem do obwodu, wykorzystując obliczone harmoniczne wyjściowe do ustalenia poziomu zniekształceń.

Przebiegi w oscylatorach relaksacyjnych są wytwarzane przez fale sinusoidalne, które są sumowane w celu uzyskania określonego kształtu.

Oscylatory są pomocne w wytwarzaniu spójnych impulsów, które są używane jako odniesienie w aplikacjach takich jak audio, generatory funkcyjne, systemy cyfrowe i systemy komunikacyjne.

Oscylatory sinusoidalne

Oscylatory sinusoidalne obejmują wzmacniacze operacyjne wykorzystujące obwody RC lub LC, które zawierają regulowane częstotliwości oscylacji lub kryształy, które mają z góry określoną częstotliwość oscylacji.

Częstotliwość i amplituda oscylacji są ustalane przez dobór części pasywnych i aktywnych podłączonych do centralnego wzmacniacza operacyjnego.

Oscylatory oparte na wzmacniaczach operacyjnych to obwody stworzone tak, aby były niestabilne. Nie jest to typ, który czasami jest nieoczekiwanie opracowywany lub projektowany w laboratorium, raczej typy, które są celowo budowane tak, aby nadal pozostawały w niestabilnym lub oscylacyjnym stanie.

Oscylatory wzmacniacza operacyjnego są przywiązane do dolnego końca zakresu częstotliwości ze względu na fakt, że wzmacniacze operacyjne nie mają przepustowości niezbędnej do realizacji niskiego przesunięcia fazowego przy wysokich częstotliwościach.

Wzmacniacze operacyjne ze sprzężeniem zwrotnym napięcia są ograniczone do niskiego zakresu kHz, ponieważ ich główny biegun w otwartej pętli jest często tak mały, jak 10 Hz.

Nowoczesne wzmacniacze operacyjne ze sprzężeniem zwrotnym prądowym mają znacznie szersze pasmo, ale są one niezwykle trudne do wdrożenia w obwodach oscylatora, ponieważ są wrażliwe na pojemność sprzężenia zwrotnego.

Oscylatory kwarcowe są zalecane w aplikacjach o wysokiej częstotliwości w zakresie setek MHz.

Podstawowe wymagania

W najbardziej podstawowym typie, zwanym również kanonicznym, stosowana jest metoda negatywnego sprzężenia zwrotnego.

Staje się to warunkiem wstępnym zainicjowania oscylacji, jak pokazano na rysunku 1. Tutaj widzimy schemat blokowy dla takiej metody, w której VIN jest ustalone jako napięcie wejściowe.

Vout oznacza wyjście z bloku A.

β oznacza sygnał, zwany także współczynnikiem sprzężenia zwrotnego, który jest dostarczany z powrotem do złącza sumującego.

E oznacza element błędu odpowiadający sumie współczynnika sprzężenia zwrotnego i napięcia wejściowego.

Wynikowe równania dla obwodu oscylatora można zobaczyć poniżej. Pierwsze równanie jest ważne, które określa napięcie wyjściowe. Równanie 2 podaje współczynnik błędu.

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

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

Eliminacja współczynnika błędu E z powyższych równań daje

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

Wyodrębnienie elementów w Vout daje

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

Reorganizacja terminów w powyższym równaniu daje nam następujący klasyczny wzór sprzężenia zwrotnego poprzez równanie # 5

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

Oscylatory mogą pracować bez pomocy sygnału zewnętrznego. Raczej część impulsu wyjściowego jest wykorzystywana jako wejście przez sieć sprzężenia zwrotnego.

Oscylacja jest inicjowana, gdy sprzężenie zwrotne nie osiąga stabilnego stanu ustalonego. Dzieje się tak, ponieważ akcja przenoszenia nie zostaje wykonana.

Ta niestabilność występuje, gdy mianownik równania nr 5 staje się zerowy, jak pokazano poniżej:

1 + Aβ = 0 lub Aβ = -1.

Kluczową rzeczą podczas projektowania obwodu oscylatora jest zapewnienie Aβ = -1. Ten stan nazywa się Kryterium Barkhausena .

Aby spełnić ten warunek, konieczne staje się, aby wartość wzmocnienia pętli pozostawała równa jedności przez odpowiednie przesunięcie fazowe o 180 stopni. Jest to rozumiane przez znak ujemny w równaniu.

Powyższe wyniki można alternatywnie wyrazić, jak pokazano poniżej, za pomocą symboli ze złożonej algebry:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Projektując oscylator z dodatnim sprzężeniem zwrotnym, powyższe równanie można zapisać jako:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° co sprawia, że ​​termin Aβ w równaniu nr 5 jest ujemny.

Gdy Aβ = -1, wyjście sprzężenia zwrotnego dąży do nieskończonego napięcia.

Kiedy zbliża się to do maksymalnych poziomów zasilania + lub -, aktywne urządzenia poziomu wzmocnienia w obwodach ulegają zmianie.

Powoduje to, że wartość A staje się Aβ ≠ -1, spowalniając podejście sprzężenia zwrotnego do nieskończonego napięcia, ostatecznie zatrzymując je.

Tutaj. Może się wydarzyć jedna z trzech możliwości:

1. Nieliniowe nasycenie lub odcięcie powodujące stabilizację i zablokowanie oscylatora.
2. Opłata początkowa, która wymusza nasycenie systemu przez znacznie długi okres, zanim ponownie stanie się liniowa i zacznie zbliżać się do przeciwnej szyny zasilającej.
3. System nadal znajduje się w regionie liniowym i powraca w kierunku przeciwnej szyny zasilającej.

W przypadku drugiej możliwości otrzymujemy niezwykle zniekształcone oscylacje, najczęściej w postaci fal quasi-kwadratowych.

Co to jest przesunięcie fazowe w oscylatorach

Przesunięcie fazowe o 180 ° w równaniu Aβ = 1 ㄥ -180 ° jest tworzone przez składową czynną i bierną.

Podobnie jak każdy prawidłowo zaprojektowany obwód sprzężenia zwrotnego, oscylatory są zbudowane w oparciu o przesunięcie fazowe elementów pasywnych.

Dzieje się tak, ponieważ wyniki z części pasywnych są precyzyjne i praktycznie wolne od dryftu. Przesunięcie fazowe uzyskane z aktywnych składników jest przeważnie niedokładne z powodu wielu czynników.

Może dryfować wraz ze zmianami temperatury, może wykazywać szeroką tolerancję początkową, a także wyniki mogą być zależne od charakterystyki urządzenia.

Wzmacniacze operacyjne są tak dobrane, aby zapewnić minimalne przesunięcie fazowe częstotliwości oscylacji.

Jednobiegunowy obwód RL (rezystor-cewka) lub RC (rezystor-kondensator) powoduje około 90 ° przesunięcie fazowe na biegun.

Ponieważ do oscylacji konieczne jest 180 °, podczas projektowania oscylatora należy zastosować co najmniej dwa bieguny.

Obwód LC ma 2 bieguny, dzięki czemu zapewnia przesunięcie fazowe o około 180 ° dla każdej pary biegunów.

Jednak nie będziemy tutaj omawiać projektów opartych na LC ze względu na udział cewek indukcyjnych niskiej częstotliwości, które mogą być drogie, nieporęczne i niepożądane.

Oscylatory LC są przeznaczone do zastosowań o wysokiej częstotliwości, które mogą wykraczać poza zakres częstotliwości wzmacniaczy operacyjnych opartych na zasadzie sprzężenia zwrotnego napięcia.

Tutaj może się okazać, że rozmiar, waga i koszt cewki nie mają większego znaczenia.

Przesunięcie fazowe określa częstotliwość oscylacji, ponieważ obwód pulsuje z częstotliwością, która powoduje przesunięcie fazowe o 180 stopni. Wartość df / dt lub szybkość, z jaką przesunięcie fazowe zmienia się wraz z częstotliwością, decyduje o stabilności częstotliwości.

Gdy kaskadowo buforowane sekcje RC są używane w postaci wzmacniaczy operacyjnych, oferujących wysoką wejściową i niską impedancję wyjściową, przesunięcie fazowe mnoży się przez liczbę sekcji, n (patrz rysunek poniżej).

Pomimo faktu, że dwie kaskadowe sekcje RC mają przesunięcie fazowe o 180 °, może się okazać, że dФ / dt jest minimalne przy częstotliwości oscylatora.

W rezultacie oferują oscylatory zbudowane z dwóch kaskadowych sekcji RC niewystarczający stabilność częstotliwości.

Trzy identyczne kaskadowe sekcje filtrów RC zapewniają zwiększone dФ / dt, umożliwiając oscylatorowi zwiększoną stabilność częstotliwości.

Jednak wprowadzenie czwartej sekcji RC tworzy oscylator z rozszerzeniem wybitny dФ / dt.

Stąd staje się to niezwykle stabilną konfiguracją oscylatora.

Cztery sekcje są preferowanym zakresem, głównie dlatego, że opampy są dostępne w poczwórnych pakietach.

Ponadto, czterosekcyjny oscylator wytwarza 4 fale sinusoidalne, które są przesunięte fazowo o 45 ° względem siebie, co oznacza, że ​​ten oscylator umożliwia uchwycenie fal sinusoidalnych / cosinusoidalnych lub kwadraturowych.

Korzystanie z kryształów i rezonatorów ceramicznych

Rezonatory kryształowe lub ceramiczne zapewniają nam najbardziej stabilne oscylatory. Dzieje się tak, ponieważ rezonatory mają niewiarygodnie wysokie dФ / dt w wyniku ich nieliniowych właściwości.

Rezonatory są stosowane w oscylatorach o wysokiej częstotliwości, jednak oscylatory o niskiej częstotliwości zwykle nie współpracują z rezonatorami ze względu na ograniczenia dotyczące rozmiaru, wagi i kosztów.

Przekonasz się, że wzmacniacze operacyjne nie są używane z ceramicznymi oscylatorami rezonatorowymi, głównie dlatego, że wzmacniacze operacyjne mają zmniejszoną przepustowość.

Badania pokazują, że zbudowanie oscylatora kwarcowego o wysokiej częstotliwości i przycięcie sygnału wyjściowego w celu uzyskania niskiej częstotliwości jest tańsze, zamiast wbudowania rezonatora o niskiej częstotliwości.

Zysk w oscylatorach

Wzmocnienie oscylatora musi pasować jeden przy częstotliwości oscylacji. Projekt staje się stabilny, gdy wzmocnienie jest większe niż 1 i oscylacje ustają.

Gdy tylko wzmocnienie osiągnie wartość powyżej 1 wraz z przesunięciem fazowym o –180 °, nieliniowa właściwość aktywnego urządzenia (wzmacniacz operacyjny) obniża wzmocnienie do 1.

Gdy występuje nieliniowość, opamp waha się w pobliżu któregokolwiek (+/-) poziomów zasilania z powodu zmniejszenia odcięcia lub nasycenia wzmocnienia urządzenia aktywnego (tranzystora).

Dziwne jest to, że źle zaprojektowane obwody w rzeczywistości wymagają krańcowych zysków przekraczających 1 podczas ich produkcji.

Z drugiej strony, większe wzmocnienie prowadzi do większej ilości zniekształceń dla wyjściowej fali sinusoidalnej.

W przypadkach, gdy wzmocnienie jest minimalne, oscylacje ustają w skrajnie niekorzystnych warunkach.

Gdy wzmocnienie jest bardzo duże, przebieg wyjściowy wydaje się być znacznie bardziej podobny do fali prostokątnej zamiast sinusoidalnej.

Zniekształcenia są zwykle bezpośrednią konsekwencją zbyt dużego przeciążenia wzmacniacza.

Dlatego wzmocnienie powinno być ostrożnie regulowane, aby uzyskać oscylatory o niskich zniekształceniach.

Oscylatory z przesunięciem fazowym mogą wykazywać zniekształcenia, jednak mogą mieć zdolność osiągania niskich zniekształceń napięcia wyjściowego przy użyciu buforowanych kaskadowych sekcji RC.

Dzieje się tak, ponieważ kaskadowe sekcje żelbetowe zachowują się jak filtry zniekształceń. Ponadto buforowane oscylatory z przesunięciem fazowym charakteryzują się niewielkimi zniekształceniami, ponieważ wzmocnienie jest zarządzane i równomiernie równoważone między buforami.

Wniosek

Z powyższej dyskusji nauczyliśmy się podstawowej zasady działania oscylatorów opamp i zrozumieliśmy podstawowe kryteria osiągania trwałych oscylacji. W następnym poście dowiemy się o tym Oscylatory mostowe Wien .