Oscylator przesunięcia fazowego - mostek Wien, buforowany, kwadraturowy, Bubba

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





Oscylator z przesunięciem fazowym to obwód oscylatora przeznaczony do generowania fali sinusoidalnej. Działa z pojedynczym elementem aktywnym, takim jak BJT lub wzmacniacz operacyjny skonfigurowany w trybie wzmacniacza odwracającego.

Układ obwodów tworzy sprzężenie zwrotne od wyjścia do wejścia za pomocą obwodu RC (rezystor / kondensator) ułożonego w sieci typu drabinkowego. Wprowadzenie tego sprzężenia zwrotnego powoduje dodatnie „przesunięcie” fazy wyjścia ze wzmacniacza o 180 stopni przy częstotliwości oscylatora.



Wielkość przesunięcia fazowego wywołanego przez sieć RC zależy od częstotliwości. Wyższe częstotliwości oscylatora powodują większe przesunięcie fazowe.

Poniższe obszerne wyjaśnienia pomogą nam bardziej szczegółowo poznać koncepcję.



w Poprzedni post dowiedzieliśmy się o krytycznych kwestiach wymaganych podczas projektowania oscylatora z przesunięciem fazowym opartym na wzmacniaczu operacyjnym. W tym poście pójdziemy dalej i dowiemy się więcej na temat typy oscylatorów przesunięcia fazowego i jak obliczyć odpowiednie parametry za pomocą wzorów.


Obwód mostu wiedeńskiego

Poniższy schemat przedstawia układ mostka Wien.

Schemat obwodu mostka Wiednia

Tutaj możemy przerwać pętlę na dodatnim wejściu opampu i obliczyć powracający sygnał za pomocą następującego równania 2:

Kiedy ⍵ = 2πpf = 1 / RC , sprzężenie zwrotne jest w fazie (pozytywne sprzężenie zwrotne), uzyskując zysk 1/3 .

Dlatego oscylacje wymagają, aby obwód wzmacniacza operacyjnego miał wzmocnienie 3.

Kiedy R. fa = 2R sol , wzmocnienie wzmacniacza wynosi 3, a oscylacja rozpoczyna się przy f = 1 / 2πRC.

W naszym eksperymencie obwód oscylował przy 1,65 kHz zamiast 1,59 kHz przy zastosowaniu wartości części wskazanych na rysunku 3, ale z widocznym zniekształceniem.

Poniższy rysunek przedstawia obwód mostka Wiednia mający nieliniowe sprzężenie zwrotne .

Oscylator mostka Wiednia z nieliniowym sprzężeniem zwrotnym

Widzimy lampę RL, której rezystancja żarnika jest wybrana bardzo niska, około 50% wartości rezystancji sprzężenia zwrotnego RF, ponieważ prąd lampy jest określony przez RF i RL.

Zależność między prądem lampy a rezystancją lampy, która jest nieliniowa, pomaga utrzymać wahania napięcia wyjściowego na minimalnym poziomie.

Możesz również znaleźć wiele obwodów zawierających diodę zamiast wyjaśnionej powyżej koncepcji nieliniowego elementu sprzężenia zwrotnego.

Zastosowanie diody pomaga zmniejszyć poziom zniekształceń, oferując delikatną kontrolę napięcia wyjściowego.

Jeśli jednak powyższe metody nie są dla Ciebie korzystne, musisz wybrać metody AGC, które identycznie pomagają uzyskać zmniejszone zniekształcenia.

Na poniższym rysunku przedstawiono wspólny oscylator z mostkiem Wiednia wykorzystujący obwód AGC.

Tutaj próbkuje ujemną falę sinusoidalną za pomocą D1, a próbka jest przechowywana w C1.

Oscylator mostkowy Wien z AGC

R1 i R2 są obliczane w taki sposób, że centruje odchylenie na Q1, aby zapewnić, że (R sol + R. Q1 ) równa się R. fa / 2 z oczekiwanym napięciem wyjściowym.

Jeśli napięcie wyjściowe ma tendencję do wzrostu, rezystancja Q1 rośnie, w konsekwencji zmniejszając wzmocnienie.

W pierwszym obwodzie oscylatora mostka Wien, zasilanie 0,833 V można zobaczyć na dodatnim pinie wejściowym wzmacniacza operacyjnego. Dokonano tego w celu centralizacji wyjściowego napięcia spoczynkowego przy VCC / 2 = 2,5 V.

Oscylator przesunięcia fazowego (jeden wzmacniacz operacyjny)

Oscylator przesunięcia fazowego (jeden wzmacniacz operacyjny)

Oscylator z przesunięciem fazowym można również skonstruować przy użyciu tylko jednego wzmacniacza operacyjnego, jak pokazano powyżej.

Konwencjonalne myślenie jest takie, że w obwodach z przesunięciem fazowym stopnie są odizolowane i rządzą się sobą. To daje nam następujące równanie:

Gdy przesunięcie fazowe poszczególnych sekcji wynosi –60 °, przesunięcie fazowe pętli wynosi = –180 °. Dzieje się tak, gdy ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC ponieważ styczna 60 ° = 1,73.

Wartość β w tym momencie wynosi (1/2)3, co oznacza, że ​​wzmocnienie A musi być na poziomie 8, aby wzmocnienie systemu było na poziomie 1.

Na tym wykresie częstotliwość oscylacji dla wskazanych wartości części została ustalona na 3,76 kHz, a nie na obliczonej częstotliwości oscylacji 2,76 kHz.

Ponadto zmierzony zysk niezbędny do zainicjowania oscylacji wyniósł 26, a nie obliczony zysk 8.

Tego rodzaju niedokładności są w pewnym stopniu spowodowane niedoskonałościami komponentów.

Jednak najbardziej znaczący aspekt jest spowodowany błędnymi przewidywaniami, że etapy RC nigdy nie wpływają na siebie.

Ta konfiguracja pojedynczego obwodu wzmacniacza była dość dobrze znana w czasach, gdy aktywne komponenty były nieporęczne i drogie.

W dzisiejszych czasach wzmacniacze operacyjne są ekonomiczne i kompaktowe i są dostępne z czterema numerami w jednym pakiecie, dlatego oscylator z przesunięciem fazowym pojedynczego wzmacniacza operacyjnego ostatecznie stracił uznanie.

Buforowany oscylator przesunięcia fazowego

Buforowany oscylator przesunięcia fazowego

Na powyższym rysunku widzimy buforowany oscylator przesunięcia fazowego, pulsujący przy 2,9 kHz zamiast oczekiwanej idealnej częstotliwości 2,76 kHz i ze wzmocnieniem 8,33 w przeciwieństwie do idealnego wzmocnienia wynoszącego 8.

Bufory uniemożliwiają sekcjom RC wpływanie na siebie nawzajem, a zatem buforowane oscylatory przesunięcia fazowego mogą działać bliżej obliczonej częstotliwości i wzmocnienia.

Rezystor RG odpowiedzialny za ustawienie wzmocnienia, ładuje trzecią sekcję RC, umożliwiając czwartemu wzmacniaczowi operacyjnemu w poczwórnym wzmacniaczu operacyjnym działanie jako bufor dla tej sekcji RC. To powoduje, że poziom wydajności osiąga idealną wartość.

Możemy wyodrębnić falę sinusoidalną o niskim poziomie zniekształceń z dowolnego stopnia oscylatora z przesunięciem fazowym, ale najbardziej naturalną falę sinusoidalną można uzyskać z wyjścia ostatniej sekcji RC.

Zwykle jest to złącze niskoprądowe o wysokiej impedancji, dlatego należy tutaj zastosować obwód mający stopień wejściowy o wysokiej impedancji, aby uniknąć odchyleń obciążenia i częstotliwości w odpowiedzi na zmiany obciążenia.

Oscylator kwadraturowy

Oscylator kwadraturowy jest inną wersją oscylatora z przesunięciem fazowym, jednak trzy stopnie RC są połączone w taki sposób, że każda sekcja dodaje 90 ° przesunięcia fazowego.

Oscylator kwadraturowy

Wyjścia nazywane są sinus i cosinus (kwadratura) po prostu dlatego, że istnieje przesunięcie fazowe o 90 ° między wyjściami opamp. Wzmocnienie pętli jest określane za pomocą równania 4.

Z ⍵ = 1 / RC , Równanie 5 upraszcza się do 1√ - 180 ° , co prowadzi do oscylacji przy ⍵ = 2πpf = 1 / RC.

Eksperymentowany obwód pulsował z częstotliwością 1,65 kHz w przeciwieństwie do obliczonej wartości 1,59 kHz, a różnica jest głównie spowodowana zmianami wartości części.

Oscylator Bubba

Oscylator Bubba

Pokazany powyżej oscylator Bubba jest kolejnym wariantem oscylatora z przesunięciem fazowym, ale korzysta z zalet czterowzmacniacza operacyjnego, który zapewnia kilka charakterystycznych funkcji.

Cztery sekcje RC wymagają przesunięcia fazowego o 45 ° dla każdej sekcji, co oznacza, że ​​ten oscylator ma doskonałe dΦ / dt, aby zmniejszyć odchylenia częstotliwości.

Każda z sekcji RC generuje przesunięcie fazowe 45 °. To znaczy, ponieważ mamy wyjścia z sekcji naprzemiennych zapewniają wyjścia kwadraturowe o niskiej impedancji.

Za każdym razem, gdy wyjście jest wydobywane z każdego wzmacniacza operacyjnego, obwód wytwarza cztery przesunięte fazowo o 45 ° fale sinusoidalne. Równanie pętli można zapisać jako:

Kiedy ⍵ = 1 / RCs , powyższe równania kurczą się do następujących równań 7 i 8.

Wzmocnienie A powinno osiągnąć wartość 4, aby zainicjować oscylację.

Obwód analizy oscylował przy 1,76 kHz, w przeciwieństwie do idealnej częstotliwości 1,72 kHz, podczas gdy wzmocnienie wydawało się wynosić 4,17 zamiast idealnego wzmocnienia 4.

Ze względu na zmniejszony zysk DO i wzmacniacze operacyjne o niskim prądzie polaryzacji, rezystor RG odpowiedzialny za ustalenie wzmocnienia nie ładuje końcowej sekcji RC. Gwarantuje to najdokładniejszą częstotliwość wyjściową oscylatora.

Fale sinusoidalne o ekstremalnie niskich zniekształceniach można było uzyskać ze skrzyżowania R i RG.

Ilekroć wymagane są fale sinusoidalne o niskich zniekształceniach na wszystkich wyjściach, wzmocnienie powinno być w rzeczywistości rozłożone równomiernie na wszystkie wzmacniacze operacyjne.

Nieodwracające wejście wzmacniacza operacyjnego jest spolaryzowane na 0,5 V, aby wytworzyć spoczynkowe napięcie wyjściowe przy 2,5 V.Dystrybucja wzmocnienia wymaga polaryzacji innych wzmacniaczy operacyjnych, ale z pewnością nie ma żadnego wpływu na częstotliwość oscylacji.

Wnioski

W powyższej dyskusji zrozumieliśmy, że oscylatory przesunięcia fazowego wzmacniacza operacyjnego są ograniczone do dolnego końca pasma częstotliwości.

Wynika to z faktu, że wzmacniacze operacyjne nie mają przepustowości niezbędnej do implementacji niskiego przesunięcia fazowego przy wyższych częstotliwościach.

Zastosowanie nowoczesnych wzmacniaczy operacyjnych z prądowym sprzężeniem zwrotnym w obwodach oscylatorów wydaje się trudne, ponieważ są one bardzo wrażliwe na pojemność sprzężenia zwrotnego.

Wzmacniacze operacyjne ze sprzężeniem zwrotnym napięcia są ograniczone do zaledwie kilku 100 kHz, ponieważ powodują nadmierne przesunięcie fazowe.

Oscylator Wien-bridge działa przy użyciu niewielkiej liczby części, a jego stabilność częstotliwości jest bardzo akceptowalna.

Ale zmniejszenie zniekształceń w oscylatorze z mostkiem Wiednia jest mniej łatwiejsze niż samo zainicjowanie procesu oscylacji.

Oscylator kwadraturowy z pewnością działa przy użyciu kilku wzmacniaczy operacyjnych, ale zawiera znacznie większe zniekształcenia. Jednak oscylatory z przesunięciem fazowym, takie jak oscylator Bubba, wykazują znacznie mniejsze zniekształcenia wraz z pewną przyzwoitą stabilnością częstotliwości.

Mimo to, zwiększona funkcjonalność tego typu oscylatorów z przesunięciem fazowym nie jest tania z powodu wyższych kosztów części zaangażowanych na różnych etapach obwodu.

Powiązane witryny sieci Web
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




Poprzedni: Oscylatory wzmacniacza operacyjnego Dalej: Obwód wzmacniacza mocy od 1000 watów do 2000 watów