Op-võimendid

Proovige Meie Instrumenti Probleemide Kõrvaldamiseks





Ostsillaatori ehitust, kasutades aktiivvõimendina opvõimendit, nimetatakse opvõimendi ostsillaatoriks.

Selles postituses õpime, kuidas kujundada opamp-põhiseid ostsillaatoreid, ja pidades silmas paljusid kriitilisi tegureid, mida on vaja stabiilse ostsillaatori disaini loomiseks.



Op-amp-põhiseid ostsillaatoreid kasutatakse tavaliselt täpsete, perioodiliste lainekujude genereerimiseks, näiteks ruudukujulised, saehambad, kolmnurksed ja sinusoidsed.

Üldiselt töötavad nad väljundi genereerimiseks ühe aktiivse seadme või lambi või kristalli abil, mis on seotud mõne passiivse seadmega, nagu takistid, kondensaatorid ja induktiivpoolid.




Op-amp ostsillaatori kategooriad

Leiate paar peamist ostsillaatorite rühma: lõõgastav ja sinusoidne.

Lõdvestusosillaatorid tekitavad kolmnurkseid, saehambaid ja muid mitteinsoidaalseid lainekujusid.

Sinusoidsed ostsillaatorid sisaldavad op-ampreid, kasutades täiendavaid osse, mis on harjunud tekitama võnkeid, või kristalle, millel on sisseehitatud võnkegeneraatorid.

Siinuslaine ostsillaatoreid kasutatakse allikate või testlainekujudena paljudes vooluringi rakendustes.

Puht sinusoidaalne ostsillaator omab ainult individuaalset või põhisagedust: ideaalis ilma harmoonikata.

Selle tulemusena võib vooluahela sisendiks olla sinusoidaalne laine, kasutades moonutuste taseme fikseerimiseks arvutatud väljundharmoonikuid.

Lõdvestusosillaatorite lainekujud tekivad sinusoidaalsete lainete kaudu, mis summeeritakse etteantud kuju saamiseks.

Otsillaatorid on abiks järjepidevate impulsside tekitamisel, mida kasutatakse viitena rakendustes nagu heli, funktsioonigeneraatorid, digitaalsed süsteemid ja sidesüsteemid.

Siinuslaine ostsillaatorid

Sinusoidsed ostsillaatorid koosnevad op-ampritest, kasutades RC või LC ahelaid, mis sisaldavad reguleeritavaid võnkesagedusi, või kristalle, millel on ettemääratud võnkesagedus.

Võnkumiste sagedus ja amplituud määratakse passiivsete ja aktiivsete osade valimisega, mis on ühendatud keskse op-võimendiga.

Op-amp-põhised ostsillaatorid on ebastabiilseks loodud vooluringid. Mitte tüüp, mis on laboris kohati ootamatult välja töötatud või kujundatud, pigem tüübid, mis on teadlikult ehitatud nii, et nad oleksid jätkuvalt ebastabiilsed või võnkuvad.

Op-amp-ostsillaatorid on seotud sagedusvahemiku alumise otsaga, kuna opampidel puudub vajalik madal ribalaius madala faasinihke rakendamiseks kõrgetel sagedustel.

Pinge-tagasiside opampid on piiratud madala kHz vahemikuga, kuna nende peamine avatud silmusega poolus on sageli nii väike kui 10 Hz.

Kaasaegsed voolu-tagasiside opampid on kavandatud oluliselt suurema ribalaiusega, kuid neid on uskumatult raske rakendada ostsillaatorahelates, kuna nad on tundlikud tagasiside mahtuvuse suhtes.

Kristall-ostsillaatoreid soovitatakse kasutada kõrgsageduslikes rakendustes vahemikus sadu MHz.


Põhinõuded

Kõige põhilisemas tüübis, mida nimetatakse ka kanooniliseks, kasutatakse negatiivse tagasiside meetodit.

See saab võnkumise algatamise eelduseks, nagu on näidatud joonisel 1. Siin näeme sellise meetodi plokkskeemi, kus VIN on fikseeritud sisendpingena.

Vout tähistab ploki A väljundit.

β tähistab signaali, mida nimetatakse ka tagasisideteguriks ja mis edastatakse tagasi liitmispunkti.

E tähistab veaelementi, mis on võrdne tagasisideteguri ja sisendpinge summaga.

Saadud ostsillaatori voolu võrrandeid saab näha allpool. Esimene võrrand on oluline, mis määrab väljundpinge. Võrrand 2 annab veateguri.

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

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

Veafaktori E kõrvaldamine ülaltoodud võrranditest annab

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

Voutis elementide väljavõtmine annab

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

Terminite ümberkorraldamine ülaltoodud võrrandis annab meile võrrandi nr 5 kaudu järgmise klassikalise tagasiside valemi

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

Otsillaatorid on võimelised töötama ilma välise signaali abita. Pigem kasutatakse väljundimpulsi osa tasulise võrgu kaudu sisendina.

Võnkumine algatatakse siis, kui tagasiside abil ei saavutata stabiilset püsivat olekut. See juhtub seetõttu, et ülekandetoimingut ei täideta.

See ebastabiilsus tekib siis, kui võrrandi # 5 nimetaja muutub nulliks, nagu allpool näidatud:

1 + Ap = 0 või Ap = -1.

Otsillaatori ahela kujundamisel on ülioluline tagada Aβ = -1. Seda seisundit nimetatakse Barkhauseni kriteerium .

Selle tingimuse täitmiseks on hädavajalik, et silmuse võimenduse väärtus jääks ühtseks vastava 180-kraadise faasinihke kaudu. Seda mõistab võrrandi negatiivne märk.

Eespool toodud tulemusi saab alternatiivselt väljendada, nagu allpool näidatud, kasutades keeruka Algebra sümboleid:

Ap = 1 ~ -180 °

Positiivse tagasiside ostsillaatori kujundamisel võib ülaltoodud võrrandi kirjutada järgmiselt:

Ap = 1 ㄥ 0 ° mis muudab võrrandi # 5 termini Aβ negatiivseks.

Kui Aβ = -1, kipub tagasiside väljund liikuma lõpmatu pinge suunas.

Kui see läheneb toiteallika maksimaalsele + või - tasemele, muutuvad vooluahelate võimendustaseme aktiivsed seadmed.

See põhjustab A väärtuse muutumise Aβ ≠ -1, mis aeglustab tagasisidet lõpmatu pinge lähenemist, peatades selle lõpuks.

Siit võime leida ühe kolmest võimalusest:

  1. Mittelineaarne küllastus või piirväärtus, mis põhjustab ostsillaatori stabiliseerumise ja lukustumise.
  2. Esialgne laeng, mis sunnib süsteemi küllastuma palju pikka aega, enne kui see uuesti lineaarseks muutub ja hakkab lähenema vastupidisele toitetrassile.
  3. Süsteem on jätkuvalt lineaarses piirkonnas ja pöördub tagasi vastupidise varustusrööpa poole.

Teise võimaluse korral saame tohutult moonutatud võnked, tavaliselt kvaasiruudulainete kujul.

Mis on ostsillaatorite faasinihe

180 ° faaside nihe võrrandis Aβ = 1 ㄥ -180 ° luuakse aktiivsete ja passiivsete komponentide kaudu.

Nagu kõik õigesti kujundatud tagasisidestusahelad, on ostsillaatorid ehitatud passiivsete komponentide faasinihke põhjal.

Seda seetõttu, et passiivsete osade tulemused on täpsed ja praktiliselt triivivabad. Aktiivsetest komponentidest omandatud faasinihe on paljude tegurite tõttu enamasti ebatäpne.

Temperatuurimuutustega võib see triivida, võib näidata suurt esialgset tolerantsust ja ka tulemused võivad sõltuda seadme omadustest.

Opvõimendid valitakse selleks, et tagada minimaalne faaside nihe võnkesagedusele.

Ühe poolusega RL (takisti-induktor) või RC (takisti-kondensaatori) vooluahel toob faasi nihke umbes 90 ° pooluse kohta.

Kuna võnkumiseks on vajalik 180 °, kasutatakse ostsillaatori projekteerimisel vähemalt kahte poolust.

LC-ahelal on kaks poolust, seega tagab see iga poolusepaari jaoks umbes 180 ° faasinihke.

Kuid me ei aruta siin LC-põhiseid kujundusi madalsageduslike induktorite kaasamise tõttu, mis võivad olla kallid, mahukad ja ebasoovitavad.

LC-ostsillaatorid on mõeldud kõrgsageduslikeks rakendusteks, mis võivad pinge tagasiside põhimõttel ületada opampide sagedusvahemikku.

Siit võite leida, et induktiivpooli suurus, kaal ja maksumus pole eriti olulised.

Faasinihe nihutab võnkesageduse, kuna vooluahel impulssib sagedusel, mis saab faasinihke 180 kraadi. Df / dt ehk faasinihke sagedusega muutumise kiirus otsustab sageduse stabiilsuse.

Kui kasutatakse kaskaaditud puhverdatud RC-sektsioone opampide kujul, pakkudes suure sisendiga ja väikese väljundiga impedantsi, korrutatakse faasinihe jaotiste arvuga, n (vt joonist allpool).

Hoolimata asjaolust, et kahel kaskaadiga RC sektsioonil on 180 ° faasinihe, võib dФ / dt olla ostsillaatori sagedusel minimaalne.

Selle tulemusena pakutakse kahte kaskaadiga RC sektsiooni kasutades ehitatud ostsillaatoreid ebapiisav sageduse stabiilsus.

Kolm identset kaskaadiga RC-filtri sektsiooni tagavad kõrgema dФ / dt väärtuse, võimaldades ostsillaatoril suurendada sageduse stabiilsust.

Neljanda RC sektsiooni kasutuselevõtuga luuakse aga ostsillaator väljapaistev dФ / dt.

Seega saab sellest ülimalt stabiilne ostsillaatori seadistus.

Neli jaotust on eelistatud vahemik peamiselt seetõttu, et opampe on saadaval neljarattalistes pakendites.

Neljaosaline ostsillaator tekitab ka neli siinuslainet, mis on faasi suhtes üksteise suhtes nihutatud 45 °, mis tähendab, et see ostsillaator võimaldab teil kätte saada siinus- / koosinus- või kvadratuursed siinuselained.

Kristallide ja keraamiliste resonaatorite kasutamine

Kristall- või keraamilised resonaatorid pakuvad meile kõige stabiilsemaid ostsillaatoreid. Seda seetõttu, et resonaatoritel on nende mittelineaarsete omaduste tõttu uskumatult kõrge dФ / dt.

Resonaatoreid rakendatakse kõrgsageduslikes ostsillaatorites, kuid madalsageduslikud ostsillaatorid ei tööta tavaliselt resonaatoritega suuruse, kaalu ja kulupiirangute tõttu.

Leiate, et op-amprit ei kasutata keraamiliste resonaatori ostsillaatoritega peamiselt seetõttu, et opampidel on vähendatud ribalaius.

Uuringud näitavad, et madala sagedusega resonaatori lisamise asemel on odavam ehitada kõrgsageduslikku kristalli ostsillaatorit ja kärpida väljundit madala sageduse saamiseks.


Võimendus ostsillaatorites

Ostsillaatori võimendus peab ühtima üks võnkesagedusel. Disain muutub ühtlaseks, kui võimendus on suurem kui 1 ja võnked peatuvad.

Niipea, kui võimendus saavutab faasi nihkega –180 ° üle 1, langetab aktiivse seadme (opamp) mittelineaarne omadus võimenduse 1-le.

Mittelineaarsuse ilmnemisel kiigub opamp kas (+/-) toitetaseme lähedal aktiivse seadme (transistori) võimenduse piirväärtuse või küllastuse vähenemise tõttu.

Üks kummaline on see, et halvasti kujundatud vooluahelad nõuavad tootmise ajal tegelikult marginaalset kasumit üle 1.

Teisest küljest toob suurem võimendus kaasa suurema väljundsiinuse moonutused.

Juhtudel, kui võimendus on minimaalne, lakkavad võnked äärmiselt ebasoodsates tingimustes.

Kui võimendus on väga suur, näib väljundlaine siinuslaine asemel palju sarnasem ruudukujulisele lainele.

Moonutamine on tavaliselt võimendi liialdamise tõttu liiga suure võimenduse otsene tagajärg.

Seetõttu tuleks madala moonutusega ostsillaatorite saavutamiseks võimendust ettevaatlikult reguleerida.

Faasinihkega ostsillaatorid võivad näidata moonutusi, kuid neil võib olla võime saavutada madala moonutusega väljundpinge puhverdatud kaskaadiga RC sektsioonide abil.

Seda seetõttu, et kaskaadiga RC sektsioonid käituvad moonutusfiltritena. Lisaks on puhverdatud faasinihkega ostsillaatoritel madal moonutus, kuna võimendust hallatakse ja puhvrite vahel on ühtlaselt tasakaalustatud.

Järeldus

Ülaltoodud arutelust saime teada opamp-ostsillaatorite põhiprintsiibist ja saime aru püsivate võnkumiste saavutamise põhikriteeriumidest. Järgmises postituses saame teada Viini silla ostsillaatorid .




Eelmine: Kuidas transistori (BJT) ahelaid tõrkeotsinguks saada Järgmine: faasinihke ostsillaator - Wien-sild, puhverdatud, kvadratuur, Bubba