Op-amp-oskillaattorit

Kokeile Instrumenttia Ongelmien Poistamiseksi





Oskillaattorirakennetta, joka käyttää op-vahvistinta aktiivisena elementtinä, kutsutaan op-vahvistimen oskillaattoriksi.

Tässä viestissä opimme kuinka suunnitella opamp-pohjaisia ​​oskillaattoreita ja kuinka monta kriittistä tekijää tarvitaan vakaan oskillaattorisuunnittelun luomiseen.



Op-vahvistinpohjaisia ​​oskillaattoreita käytetään tavallisesti tuottamaan tarkkoja, jaksollisia aaltomuotoja, kuten neliö-, sahahammas-, kolmion- ja sinimuotoisia.

Yleensä ne toimivat käyttämällä yhtä aktiivista laitetta tai lamppua tai kristallia ja yhdistettynä muutamaan passiiviseen laitteeseen, kuten vastuksiin, kondensaattoreihin ja induktoreihin, tuotoksen tuottamiseksi.




Op-amp-oskillaattorien luokat

Löydät pari ensisijaista oskillaattoriryhmää: rentoutuminen ja sinimuotoinen.

Rentoutumisoskillaattorit tuottavat kolmiomaisia, sahahammas- ja muita ei-suinoidaalisia aaltomuotoja.

Sinimuotoiset oskillaattorit sisältävät op-vahvistimia käyttämällä lisäosia, jotka ovat tottuneet luomaan värähtelyjä, tai kiteitä, joissa on sisäänrakennetut värähtelygeneraattorit.

Siniaaltooskillaattoreita käytetään lähteinä tai testiaaltomuotoina lukuisissa piirisovelluksissa.

Puhtaalla sinimuotoisella oskillaattorilla on vain yksilöllinen tai perustaajuus: mieluiten ilman harmonisia yliaaltoja.

Tämän seurauksena sinimuotoinen aalto voisi olla piirin tulo, käyttäen laskettuja lähtö harmonisia vahvistamaan vääristymien taso.

Rentoutumisoskillaattoreiden aaltomuodot tuotetaan sinimuotoisten aaltojen kautta, jotka lasketaan yhteen määrätyn muodon tuottamiseksi.

Oskillaattorit auttavat tuottamaan johdonmukaisia ​​impulsseja, joita käytetään viitteenä sovelluksissa, kuten ääni, toimintageneraattorit, digitaaliset järjestelmät ja viestintäjärjestelmät.

Siniaalto-oskillaattorit

Sinimuotoiset oskillaattorit käsittävät op-ampeereja, joissa käytetään RC- tai LC-piirejä, jotka sisältävät säädettäviä värähtelytaajuuksia, tai kiteitä, joilla on ennalta määrätty värähtelytaajuus.

Värähtelyn taajuus ja amplitudi määritetään valitsemalla passiiviset ja aktiiviset osat, jotka on kytketty keskusop-vahvistimeen.

Op-amp-pohjaiset oskillaattorit ovat piirejä, jotka on luotu epävakaiksi. Ei tyyppiä, joka on toisinaan yllättäen kehitetty tai suunniteltu laboratoriossa, pikemminkin tyypit, jotka on tarkoituksellisesti rakennettu olemaan edelleen epävakaassa tai värähtelevässä tilassa.

Op-amp-oskillaattorit on sidottu taajuusalueen alaosaan, koska opampeilla ei ole tarvittavaa kaistanleveyttä matalan vaihesiirron toteuttamiseksi korkeilla taajuuksilla.

Jännite-takaisinkytkentäopampit on rajoitettu matalalle kHz-alueelle, koska niiden pääasiallinen, avoimen silmukan napa on usein vain 10 Hz.

Nykyaikaiset virta-takaisinkytkennät on suunniteltu huomattavasti laajemmalla kaistanleveydellä, mutta niitä on uskomattoman vaikea toteuttaa oskillaattoripiireissä, koska ne ovat herkkiä palautekapasitanssille.

Kideoskillaattoreita suositellaan suurtaajuussovelluksissa, jotka ovat satoja MHz.


Perusvaatimukset

Alkeellisessa tyypissä, jota kutsutaan myös kanoniseksi tyypiksi, käytetään negatiivisen palautteen menetelmää.

Tästä tulee edellytys värähtelyn aloittamiselle, kuten kuvassa 1 on esitetty. Tässä nähdään lohkokaavio sellaiselle menetelmälle, jossa VIN on kiinteä tulojännitteenä.

Vout tarkoittaa lohkon A lähtöä.

β tarkoittaa signaalia, jota kutsutaan myös takaisinkytkentäkertoimeksi, joka syötetään takaisin summausliitokseen.

E tarkoittaa virheelementtiä, joka vastaa takaisinkytkentäkertoimen ja tulojännitteen summaa.

Tuloksena olevat oskillaattoripiirin yhtälöt voidaan nähdä alla. Ensimmäinen yhtälö on tärkeä, joka määrittelee lähtöjännitteen. Yhtälö 2 antaa virhetekijän.

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

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

Poistamalla virhetekijä E yllä olevista yhtälöistä saadaan

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

Pura elementit Voutissa antaa

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

Yllä olevan yhtälön termien uudelleenjärjestely antaa meille seuraavan klassisen palautekaavan yhtälön # 5 kautta

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

Oskillaattorit pystyvät toimimaan ilman ulkoisen signaalin apua. Pikemminkin osa lähtöpulssista käytetään syötteenä maksullisen verkon kautta.

Värähtely aloitetaan, kun takaisinkytkentä ei saavuta vakaa vakaa tila. Tämä tapahtuu, koska siirtotoiminto ei toteudu.

Tämä epävakaus tapahtuu, kun yhtälön # 5 nimittäjä tulee nollaksi, kuten alla on esitetty:

1 + Ap = 0 tai Ap = -1.

Keskeinen asia oskillaattoripiiriä suunniteltaessa on varmistaa, että Aβ = -1. Tätä tilaa kutsutaan Barkhausenin kriteeri .

Tämän ehdon täyttämiseksi on välttämätöntä, että silmukan vahvistusarvo pysyy yhtenäisenä vastaavan 180 asteen vaihesiirron kautta. Tämän ymmärtää yhtälön negatiivinen merkki.

Yllä olevat tulokset voidaan vaihtoehtoisesti ilmaista alla esitetyllä tavalla käyttämällä monimutkaisen Algebran symboleja:

Ap = 1-180 °

Positiivisen takaisinkytkimen suunnittelussa yllä oleva yhtälö voidaan kirjoittaa seuraavasti:

Ap = 1 ㄥ 0 ° mikä tekee yhtälön # 5 termistä Aβ negatiiviseksi.

Kun Aβ = -1, takaisinkytkentälähtö pyrkii siirtymään kohti ääretöntä jännitettä.

Kun tämä lähestyy enimmäis- + tai - syöttötasoa, piireissä olevat vahvistustason aktiiviset laitteet muuttuvat.

Tämän vuoksi A: n arvosta tulee Aβ ≠ -1, mikä hidastaa takaisinkytkettyä äärettömän jännitteen lähestymistapaa ja lopulta pysäyttää sen.

Täällä. Voimme löytää yhden kolmesta mahdollisuudesta:

  1. Epälineaarinen kylläisyys tai raja-arvo, joka aiheuttaa oskillaattorin vakautumisen ja lukkiutumisen.
  2. Alkuperäinen varaus, joka pakottaa järjestelmän kyllästymään paljon pitkäksi ajaksi, ennen kuin se muuttuu jälleen lineaariseksi ja alkaa lähestyä vastakkaista syöttökiskoa.
  3. Järjestelmä on edelleen lineaarisella alueella ja palaa kohti vastakkaista syöttökiskoa.

Toisen mahdollisuuden tapauksessa saamme valtavasti vääristyneet värähtelyt, yleensä neliön muotoisten aaltojen muodossa.

Mikä on vaihesiirtymä oskillaattoreissa

180 ° vaihesiirto yhtälössä AP = 1 ㄥ -180 ° syntyy aktiivisten ja passiivisten komponenttien kautta.

Aivan kuten mikä tahansa oikein suunniteltu takaisinkytkentäpiiri, oskillaattorit rakennetaan passiivisten komponenttien vaihesiirron perusteella.

Tämä johtuu siitä, että passiivisten osien tulokset ovat tarkkoja ja käytännöllisesti katsoen ajautumattomia. Aktiivisista komponenteista hankittu vaihesiirto on useimmiten epätarkka monista tekijöistä johtuen.

Se voi ajautua lämpötilan muutosten kanssa, voi näyttää suuren alkutoleranssin, ja myös tulokset voivat riippua laitteen ominaisuuksista.

Op-vahvistimet valitaan sen varmistamiseksi, että ne aikaansaavat vähimmäisvaiheen siirtymisen värähtelytaajuudelle.

Yksinapainen RL (vastus-induktori) tai RC (vastus-kondensaattori) -piiri tuottaa noin 90 ° vaihesiirron napaa kohden.

Koska värähtelyyn tarvitaan 180 °, oskillaattoria suunniteltaessa käytetään vähintään kahta napaa.

LC-piirillä on 2 napaa, joten se tarjoaa noin 180 ° vaihesiirron kullekin napaparille.

Emme kuitenkaan keskustele LC-pohjaisista malleista täällä johtuen matalataajuisten induktorien osuudesta, jotka voivat olla kalliita, isoja ja ei-toivottuja.

LC-oskillaattorit on tarkoitettu suurtaajuussovelluksiin, jotka voivat olla yli opampien taajuusalueen jännitepalaute-periaatteen perusteella.

Täältä saatat huomata, että induktorin koko, paino ja hinta eivät ole kovin tärkeitä.

Vaihesiirtymä selvittää värähtelytaajuuden, koska piiri sykkii taajuudella, joka saa vaiheensiirron 180 astetta. Df / dt tai nopeus, jolla vaihesiirto muuttuu taajuuden mukaan, päättää taajuuden vakauden.

Kun kaskadattuja puskuroituja RC-osioita käytetään opampien muodossa, jotka tarjoavat suuri- ja matalatehoisen impedanssin, vaihesiirto kerrotaan osioiden lukumäärällä, n (katso alla oleva kuva).

Huolimatta siitä, että kahdella kaskadilla varustetulla RC-osalla on 180 asteen vaihesiirto, dФ / dt voi olla minimaalinen oskillaattorin taajuudella.

Tuloksena on oskillaattorit, jotka on rakennettu käyttämällä kahta kaskadoitua RC-osaa epäpätevä taajuuden vakaus.

Kolme identtistä kaskadoitua RC-suodatinosaa tarjoavat korkeamman dФ / dt-arvon, mikä mahdollistaa oskillaattorin tehostetun taajuuden vakauden.

Neljännen RC-osan käyttöönotto luo kuitenkin oskillaattorin, jossa on erinomainen dФ / dt.

Tästä syystä tästä tulee erittäin vakaa oskillaattoriasetus.

Neljä osaa sattuu olemaan ensisijainen alue lähinnä siksi, että opampeja on saatavana nelipakkauksissa.

Neliosainen oskillaattori tuottaa myös 4 siniaalloa, jotka ovat 45 ° vaihesiirrettyinä toisiinsa nähden, mikä tarkoittaa, että tämä oskillaattori antaa sinulle mahdollisuuden tarttua sini- / kosini- tai kvadratuuri-siniaalloihin.

Kiteiden ja keraamisten resonaattoreiden käyttö

Kristalli- tai keraamiset resonaattorit tarjoavat meille vakaimmat oskillaattorit. Tämä johtuu siitä, että resonaattoreilla on uskomattoman korkea dФ / dt epälineaaristen ominaisuuksiensa vuoksi.

Resonaattoreita käytetään korkean taajuuden oskillaattoreissa, mutta matalataajuiset oskillaattorit eivät yleensä toimi resonaattoreiden kanssa koon, painon ja kustannusrajoitusten vuoksi.

Tulet huomaamaan, että op-vahvistimia ei käytetä keraamisten resonaattorioskillaattoreiden kanssa lähinnä siksi, että opampeilla on pienempi kaistanleveys.

Tutkimukset osoittavat, että on korkeamman taajuuden kideoskillaattorin rakentaminen ja ulostulon leikkaaminen matalan taajuuden saamiseksi matalataajuisen resonaattorin sijasta on halvempaa.


Vahvistus oskillaattoreissa

Oskillaattorin vahvistuksen on oltava sama yksi värähtelytaajuudella. Suunnittelu pysyy vakaana, kun vahvistus on suurempi kuin 1 ja värähtelyt pysähtyvät.

Heti kun vahvistus saavuttaa arvon yli 1 ja vaihesiirto –180 °, aktiivisen laitteen epälineaarinen ominaisuus (opamp) pudottaa vahvistuksen arvoon 1.

Kun epälineaarisuus tapahtuu, opamp heilahtaa lähellä joko (+/-) syöttötasoja johtuen aktiivisen laitteen (transistorin) vahvistuksen raja-arvon pienentymisestä tai kylläisyydestä.

Yksi outo asia on, että huonosti suunnitellut piirit vaativat itse asiassa marginaalivoitoja, jotka ylittävät yhden tuotannon aikana.

Toisaalta suurempi vahvistus johtaa suurempaan vääristymään lähtösiniaaltoon.

Tapauksissa, joissa voitto on minimaalista, värähtelyt loppuvat äärimmäisen epäedullisissa olosuhteissa.

Kun vahvistus on erittäin suuri, lähtöaaltomuoto näyttää olevan paljon samanlainen kuin neliöaalto siniaallon sijaan.

Vääristymä on yleensä välitön seuraus liian voimakkaasta vahvistuksesta.

Siksi vahvistusta tulisi hallita varovasti matalan vääristymän oskillaattoreiden saavuttamiseksi.

Vaihesiirtooskillaattorit voivat näyttää vääristymiä, mutta niillä voi olla kyky saavuttaa pienen vääristymän lähtöjännitteet käyttämällä puskuroituja kaskadoituja RC-osioita.

Tämä johtuu siitä, että kaskadoidut RC-osiot käyttäytyvät vääristymäsuodattimina. Lisäksi puskuroiduissa vaihesiirtooskillaattoreissa on vähän vääristymiä, koska vahvistusta hallitaan ja tasapainotetaan tasaisesti puskurien välillä.

Johtopäätös

Edellä esitetystä keskustelusta opimme opamp-oskillaattoreiden perustoimintaperiaatteet ja ymmärrimme peruskriteerit kestävien värähtelyjen saavuttamiseksi. Seuraavassa viestissä opimme Wien-sillan oskillaattorit .




Edellinen: Transistori (BJT) -piirien vianmääritys oikein Seuraava: Vaihesiirtooskillaattori - Wien-silta, puskuroitu, kvadratuuri, Bubba