Faasinihke ostsillaator - Wien-sild, puhverdatud, kvadratuur, Bubba

Faasinihkega ostsillaator on ostsillaatorahel, mis on loodud siinuslaine väljundi genereerimiseks. See töötab ühe aktiivse elemendiga, näiteks BJT või op võimendi, mis on konfigureeritud inverteeriva võimendi režiimis.

Vooluahela paigutus loob tagasisidet väljundist sisendisse redeli tüüpi võrku paigutatud RC (takisti / kondensaatori) ahela abil. Selle tagasiside sisseviimine põhjustab võimendi väljundfaasis positiivse nihke ostsillaatori sagedusel 180 kraadi võrra.

RC-võrgu loodud faasinihke suurus sõltub sagedusest. Kõrgemad ostsillaatori sagedused tekitavad suurema faasinihke.

Järgmised põhjalikud selgitused aitavad meil mõistet üksikasjalikumalt õppida.

Aastal eelmine postitus õppisime op-amp-põhise faasinihke ostsillaatori väljatöötamisel vajalike kriitiliste kaalutluste kohta. Selles postituses võtame selle edasi ja teame selle kohta rohkem faasinihke ostsillaatorite tüübid ja kuidas kaasatud parameetreid valemite abil arvutada.

Wien-silla ringrada

Allpool toodud diagramm näitab Wien-silla vooluahela seadistust.

Siin saame katkestada ahela opampi positiivses sisendis ja arvutada tagastussignaali järgmise võrrandi 2 abil:

Millal ⍵ = 2πpf = 1 / RC , tagasiside on etapis (positiivne tagasiside), mille võimendus on 1/3 .

Seetõttu vajavad võnked opampi vooluahela võimendust 3.

Kui R F = 2R G , võimendi võimendus on 3 ja võnkumine algab f = 1 / 2πRC juures.

Meie katses võnkus skeem joonisel 3 näidatud osaväärtuste abil 1,59 kHz asemel sagedusel 1,65 kHz, kuid näilise moonutusega.

Järgmine joonis näitab Viini silla vooluahelat mittelineaarne tagasiside .

Näeme lampi RL, mille hõõgniidi takistus on valitud väga madalaks, umbes 50% RF tagasiside takistuse väärtusest, kuna lambi voolu määravad RF ja RL.

Lambi voolu ja lambi takistuse vaheline seos aitab hoida väljundpinge kõikumisi minimaalsel tasemel.

Eespool selgitatud mittelineaarse tagasiside elemendi kontseptsiooni asemel võite leida ka palju dioodi sisaldavaid vooluringe.

Dioodi kasutamine aitab vähendada moonutustaset, pakkudes õrna väljundpinge juhtimist.

Kuid kui ülaltoodud meetodid pole teile soodsad, peate kasutama AGC-meetodeid, mis aitab samamoodi vähendada moonutusi.

Ühine AGC-vooluahelat kasutav Viini silla ostsillaator on kuvatud järgmisel joonisel.

Siin proovib see negatiivse siinuslaine D1 abil ja proov hoitakse C1-s.

R1 ja R2 arvutatakse nii, et see koondaks eelarvamuse Q1-le, et tagada (R G + R Q1 ) võrdub R-ga F / 2 eeldatava väljundpingega.

Kui väljundpinge kipub suurenema, tõuseb Q1 takistus, mis vähendab võimendust.

Esimeses Viini silla ostsillaatori ahelas võib näha 0,833-voldist toiteallikat positiivse opampi sisendnõelale. Seda tehti väljundvaiksepinge tsentraliseerimiseks VCC / 2 = 2,5 V juures.

Faasinihke ostsillaator (üks opamp)

Faasinihke ostsillaatori saab konstrueerida ka ühe opampi abil, nagu eespool näidatud.

Tavapärane mõtteviis on see, et faasinihke ahelates on etapid üksteisest eraldatud ja iseseisvad. See annab meile järgmise võrrandi:

Kui üksiku sektsiooni faasinihe on –60 °, on silmusfaasi nihe = –180 °. See juhtub siis, kui ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC kuna puutuja 60 ° = 1,73.

Β väärtus sel hetkel juhtub olema (1/2)³, mis tähendab, et võimendus A peab olema tasemega 8, et süsteemi võimendus oleks tasemel 1.

Selles diagrammis leiti, et näidatud osaväärtuste võnkesagedus on 3,76 kHz, mitte arvutatud võnkesageduse 2,76 kHz järgi.

Pealegi mõõdeti võnkumise algatamiseks vajalikuks võimenduseks 26 ja mitte vastavalt arvutatud võimendusele 8.

Sellised ebatäpsused on mingil määral tingitud komponentide puudustest.

Kuid kõige olulisem mõjutav aspekt on tingitud valedest ennustustest, et RC-etapid ei mõjuta kunagi üksteist.

See ühe opamp-ahela seadistus oli varem üsna tuntud aegadel, kui aktiivsed komponendid olid mahukad ja kallid.

Tänapäeval on op-amprid ökonoomsed ja kompaktsed ning neid on ühes pakendis saadaval nelja numbriga, seetõttu on üks opamp-faasinihkega ostsillaator lõpuks oma tunnustuse kaotanud.

Puhverdatud faasinihke ostsillaator

Ülaloleval joonisel näeme puhverdatud faasinihkega ostsillaatorit, mis pulseerib oodatava ideaalse sageduse 2,76 kHz asemel 2,9 kHz ja võimendusega 8,33, vastupidiselt ideaalsele võimendusele 8.

Puhvrid keelavad RC sektsioonidel üksteist mõjutada ja seetõttu suudavad puhverdatud faasinihke ostsillaatorid töötada arvutatud sagedusele ja võimendusele lähemal.

Tugevuse seadistuse eest vastutav takisti RG laadib kolmanda RC-sektsiooni, võimaldades neljanda opampi neljandal opampil toimida selle RC-sektsiooni puhvrina. See viib efektiivsuse taseme ideaalse väärtuseni.

Me võime ekstraheerida madala moonutusega siinuslaine mis tahes faasinihke ostsillaatori astmest, kuid kõige loomulikuma siinuslaine saab tuletada viimase RC sektsiooni väljundist.

See on tavaliselt suure impedantsiga väikese voolu ristmik, seetõttu tuleb siin kasutada suure impedantsiga sisendstaadiumiga vooluahelat, et vältida koormuse ja sageduse kõrvalekaldeid vastusena koormuse kõikumistele.

Kvadratuuri ostsillaator

Kvadratuurostsillaator on faasinihke ostsillaatori teine ​​versioon, kuid kolm RC-astet on kokku pandud nii, et igas sektsioonis moodustub faasinihe 90 °.

Väljundeid nimetatakse siinuseks ja koosinuseks (kvadratuuriks) lihtsalt seetõttu, et opamp väljundite vahel on 90 ° faasinihe. Silmusvõime määratakse võrrandi 4 kaudu.

Koos ⍵ = 1 / RC , Võrrand 5 lihtsustab 1√ - 180 ° , mis viib võnkumisteni ⍵ = 2πpf = 1 / RC.

Katsetatud vooluahel impulssis sagedusel 1,65 kHz, erinevalt arvutatud väärtusest 1,59 kHz, ja erinevus tuleneb peamiselt osade väärtuste kõikumistest.

Bubba ostsillaator

Eespool näidatud Bubba ostsillaator on veel üks faasinihke ostsillaatori variant, kuid sellel on nelja erineva op-amp paketi eelised, et tekitada mõned eristavad tunnused.

Neli RC sektsiooni nõuab iga sektsiooni jaoks 45 ° faasinihet, mis tähendab, et selle ostsillaatori sageduste kõrvalekallete vähendamiseks on silmapaistev dΦ / dt.

Iga RC sektsioon tekitab faasinihke 45 °. Tähendus, kuna meil on väljundid alternatiivsektsioonidest, tagab madala impedantsiga kvadratuurväljundid.

Kui igast opampist eraldatakse väljund, tekitab vooluahel neli 45 ° faasinihkega siinuslainet. Silmusevõrrandi saab kirjutada järgmiselt:

Millal ⍵ = 1 / RC , kahanevad ülaltoodud võrrandid järgmisteks võrranditeks 7 ja 8.

Võimendi käivitamiseks peaks võimendus A jõudma väärtuseni 4.

Analüüsilülitus võnkus 1,76 kHz sagedusel, vastupidiselt ideaalsele sagedusele 1,72 kHz, samal ajal kui võimendus näis 4,17 asemel 4,17.

Vähendatud kasumi tõttu TO ja madala eelarvega praegused op-amprid, takisti RG, mis vastutab võimenduse fikseerimise eest, ei koorma viimast RC-osa. See tagab ostsillaatori kõige täpsema väljundi.

R ja RG ristmikult võis saada ülimadalate moonutustega siinuslaineid.

Alati, kui kõigi väljundite puhul on vaja madala moonutusega siinuslaineid, peaks võimendus olema tegelikult jaotatud kõigi opampide vahel võrdselt.

Võimenduse op-võimendi mitteinverteeriv sisend on 0,5 V juures kallutatud 0,5 V vaikse väljundpinge tekitamiseks 2,5 V juures. Võimenduse jaotus nõuab teiste opampide kallutamist, kuid kindlasti ei mõjuta see võnkumiste sagedust.

Järeldused

Ülaltoodud arutelus saime aru, et Op amp faasinihke ostsillaatorid on piiratud sagedusriba alumise otsaga.

Selle põhjuseks on asjaolu, et op-ampritel pole madala faasinihke rakendamiseks kõrgematel sagedustel hädavajalikku ribalaiust.

Kaasaegsete voolu-tagasiside op-võimendite rakendamine ostsillaatori ahelates tundub keeruline, kuna need on tagasisideme mahtuvuse suhtes väga tundlikud.

Pinge tagasiside võimendid on piiratud vaid mõne 100 kHz-ga, kuna need tekitavad liigset faasinihet.

Wien-silla ostsillaator töötab väikese arvu osade abil ja selle sageduse stabiilsus on väga vastuvõetav.

Kuid Viini-silla ostsillaatori moonutuste vähendamine on vähem lihtne kui võnkeprotsessi enda algatamine.

Kvadratuurostsillaator töötab kindlasti paari op-ampriga, kuid see sisaldab palju suuremat moonutust. Kuid faasinihkega ostsillaatoritel, nagu ka Bubba ostsillaatoril, on moonutused koos mõningase korraliku sageduse stabiilsusega palju väiksemad.

Seda öeldes ei ole seda tüüpi faasinihkega ostsillaatorite täiustatud funktsionaalsus odav, kuna skeemi eri etappides osalevate osade hinnad on suuremad.

Seotud veebisaidid
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