Vaihesiirtooskillaattori on oskillaattoripiiri, joka on suunniteltu tuottamaan siniaaltolähtö. Se toimii yhdellä aktiivisella elementillä, kuten BJT: llä tai op-vahvistimella, joka on konfiguroitu käänteisvahvistintilassa.
Piirijärjestely luo takaisinkytkennän lähdöstä tuloon käyttämällä tikapuuverkkoon järjestettyä RC (vastus / kondensaattori) -piiriä. Tämän palautteen antaminen aiheuttaa positiivisen 'siirtymän' vahvistimen ulostulovaiheessa 180 astetta oskillaattorin taajuudella.
RC-verkon luoman vaihesiirron suuruus riippuu taajuudesta. Suuremmat oskillaattoritaajuudet lisäävät vaihesiirtoa.
Seuraavat kattavat selitykset auttavat meitä oppimaan käsitteen tarkemmin.
vuonna edellinen viesti saimme tietää tarvittavista kriittisistä näkökohdista suunnitellessamme op-amp-pohjaista vaihesiirtooskillaattoria. Tässä viestissä otamme sen eteenpäin ja tiedämme lisää tyypin vaihesiirtooskillaattorit ja kuinka laskea mukana olevat parametrit kaavojen avulla.
Wien-sillan piiri
Alla oleva kaavio näyttää Wien-sillan piirin asennuksen.
Täällä voimme katkaista silmukan opampin positiivisella tulolla ja laskea palaavan signaalin seuraavalla yhtälöllä 2:
Kun ⍵ = 2πpf = 1 / RC , palaute on vaiheessa (positiivinen palaute), jonka voitto on 1/3 .
Siksi värähtelyt tarvitsevat opamp-piirin vahvistuksen 3.
Kun R F = 2R G , vahvistimen vahvistus on 3 ja värähtely alkaa f = 1 / 2πRC: ssä.
Kokeessamme piiri värähteli taajuudella 1,65 kHz 1,59 kHz: n sijasta käyttäen kuvassa 3 ilmoitettuja osa-arvoja, mutta ilmeisellä vääristymällä.
Seuraava alla oleva kuva osoittaa Wien-sillan piirin epälineaarinen palaute .
Voimme nähdä lampun RL, jonka hehkulangan resistanssi on valittu hyvin matalaksi, noin 50% RF: n takaisinkytkentävastuksen arvosta, koska lampun virta määritetään RF: n ja RL: n avulla.
Lampun virran ja epälineaarisen lampun vastuksen välinen suhde auttaa pitämään lähtöjännitteen vaihtelut minimitasolla.
Saatat myös löytää monia piirejä, jotka sisältävät diodin yllä selitetyn epälineaarisen palautekomponenttikonseptin sijaan.
Diodin käyttö auttaa vähentämään vääristymiä tarjoamalla hellävaraisen lähtöjännitteen ohjauksen.
Jos yllä olevat menetelmät eivät kuitenkaan ole sinulle edullisia, sinun on käytettävä AGC-menetelmiä, mikä samalla tavoin auttaa vähentämään vääristymiä.
Yhteinen AGC-piiriä käyttävä Wien-sillan oskillaattori näkyy seuraavassa kuvassa.
Tässä se ottaa negatiivisen siniaallon D1: n avulla, ja näyte varastoidaan C1: n sisään.
R1 ja R2 lasketaan siten, että se keskittää Q1: n esijännityksen sen varmistamiseksi, että (R G + R Q1 ) on yhtä kuin R F / 2 odotetulla lähtöjännitteellä.
Jos lähtöjännitteellä on taipumus kasvaa, Q1: n vastus kasvaa, mikä vähentää vahvistusta.
Ensimmäisessä Wien-sillan oskillaattoripiirissä voidaan nähdä, että 0,833 voltin syöttö syötetään positiivisen opamp-tulotapiin. Tämä tehtiin lähtevän lepojännitteen keskittämiseksi VCC / 2 = 2,5 V.
Vaihesiirtooskillaattori (yksi opamp)
Vaihesiirtooskillaattori voidaan myös rakentaa käyttämällä vain yhtä opampia, kuten yllä on esitetty.
Tavanomainen ajattelu on, että vaihesiirtopiireissä vaiheet ovat eristettyjä ja itsensä hallitsemia. Tämä antaa meille seuraavan yhtälön:
Kun yksittäisen osan vaihesiirto on –60 °, silmukan vaihesiirto on = –180 °. Tämä tapahtuu, kun ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC koska tangentti 60 ° = 1,73.
Β: n arvo tällä hetkellä sattuu olemaan (1/2)3, mikä tarkoittaa, että vahvistuksen A on oltava tasolla 8, jotta järjestelmän vahvistus olisi tasolla 1.
Tässä kaaviossa osoitettujen osien arvojen värähtelytaajuuden havaittiin olevan 3,76 kHz eikä lasketun värähtelytaajuuden 2,76 kHz mukaan.
Lisäksi värähtelyn aloittamiseksi tarvittavan vahvistuksen mitattiin olevan 26 eikä lasketun vahvistuksen 8 mukainen.
Tällaiset epätarkkuudet johtuvat jossain määrin komponenttien puutteista.
Merkittävin vaikuttava näkökohta johtuu kuitenkin vääristä ennusteista, joiden mukaan RC-vaiheet eivät koskaan vaikuta toisiinsa.
Tämä yhden opamp-piirin kokoonpano oli aiemmin melko tunnettu silloin, kun aktiiviset komponentit olivat isoja ja kalliita.
Nykyään op-vahvistimet ovat taloudellisia ja pienikokoisia, ja niitä on saatavana neljällä numerolla yhdessä paketissa, joten yksi opamp-vaihesiirtymäoskillaattori on lopulta menettänyt tunnustuksensa.
Puskuroitu vaihesiirtooskillaattori
Voimme nähdä yllä olevassa kuvassa puskuroidun vaihesiirtymäoskillaattorin, joka sykkii 2,9 kHz: llä odotetun ihannetaajuuden 2,76 kHz sijaan ja vahvistuksella 8,33 vastakohtana 8: n ihanteelliselle vahvistukselle.
Puskurit estävät RC-osia vaikuttamasta toisiinsa, ja siksi puskuroidut vaihesiirtooskillaattorit pystyvät toimimaan lähempänä laskettua taajuutta ja vahvistusta.
Vahvistuksen asetuksesta vastaava vastus RG lataa kolmannen RC-osan, jolloin neljän opampin 4. opamp voi toimia puskurina tälle RC-osalle. Tämä saa tehokkuustason saavuttamaan ihanteellisen arvon.
Voimme erottaa matalan vääristymän siniaalto mistä tahansa vaihesiirtymäoskillaattorivaiheesta, mutta luonnollisin siniaalto voidaan johtaa viimeisen RC-osan tuotoksesta.
Tämä on yleensä suuren impedanssin matalavirtainen liitos, joten tässä on käytettävä pientä, jolla on suuri impedanssi sisääntulovaihe, kuormituksen vaihtelujen aiheuttaman kuormituksen ja taajuuspoikkeamien välttämiseksi.
Quadrature-oskillaattori
Kvadratuuroskillaattori on toinen vaihe-siirtymäoskillaattorin versio, mutta kolme RC-vaihetta on koottu yhteen siten, että jokainen osa muodostaa 90 ° vaihesiirron.
Lähdöt nimetään siniksi ja kosiniksi (kvadratuuriksi) yksinkertaisesti siksi, että opamp-lähtöjen välillä on 90 ° vaihesiirto. Silmukan vahvistus määritetään yhtälön 4 avulla.
Kanssa ⍵ = 1 / RC , Yhtälö 5 yksinkertaistuu 1√ - 180 ° , mikä johtaa värähtelyihin ⍵ = 2πpf = 1 / RC.
Testattu piiri pulssi 1,65 kHz: llä verrattuna laskettuun arvoon 1,59 kHz, ja ero johtuu pääasiassa osan arvon vaihteluista.
Bubba-oskillaattori
Edellä esitetty Bubba-oskillaattori on vielä yksi muunnos vaihesiirtymäoskillaattorista, mutta se nauttii nelinkertaisen op-amp-paketin eduista muutaman erottavan ominaisuuden tuottamiseksi.
Neljä RC-osaa vaativat 45 ° vaihesiirron kullekin osalle, mikä tarkoittaa, että tämän oskillaattorin mukana tulee erinomainen dΦ / dt taajuuspoikkeamien vähentämiseksi.
Jokainen RC-osa tuottaa 45 ° vaihesiirron. Tarkoitus, koska meillä on lähtöjä vaihtoehtoisista osioista, varmistaa matalan impedanssin kvadratuurilähdöt.
Aina kun jokaisesta opampista saadaan ulostulo, piiri tuottaa neljä 45 ° vaihesiirrettyä siniaaltoa. Silmukkayhtälö voidaan kirjoittaa seuraavasti:
Kun ⍵ = 1 / RC , yllä olevat yhtälöt kutistuvat seuraaviksi yhtäleiksi 7 ja 8.
Vahvistuksen, A, tulisi saavuttaa arvo 4 värähtelyn aloittamiseksi.
Analyysipiiri värähteli taajuudella 1,76 kHz toisin kuin ihanteellinen taajuus 1,72 kHz, kun taas vahvistus näytti olevan 4,17 ihanteellisen vahvistuksen 4 sijasta.
Pienennetyn voiton vuoksi TO ja pienen esijännitteen nykyiset vahvistimet, vahvistuksen vahvistamisesta vastus RG ei lataa lopullista RC-osaa. Tämä takaa tarkimman oskillaattoritaajuuslähdön.
R: n ja RG: n risteyksestä saatiin hankkia erittäin matalia vääristymiä sisältäviä siniaaltoja.
Aina kun tarvitaan pieniä vääristymiä sisältäviä siniaaltoja kaikkien ulostulojen välillä, vahvistuksen on tosiasiallisesti jaettava tasaisesti kaikkien opampien kesken.
Vahvistuksen op-vahvistimen ei-invertoiva tulo on esijännitetty 0,5 V: lla, jotta saadaan aikaan lepotilassa oleva lähtöjännite 2,5 V: lla. Vahvistuksen jakauma edellyttää muiden opampien esijännitystä, mutta sillä ei varmasti ole vaikutusta värähtelytaajuuteen.
Päätelmät
Yllä olevassa keskustelussa ymmärrimme, että Op-vahvistimen vaihesiirtymäoskillaattorit on rajoitettu taajuuskaistan alempaan päähän.
Tämä johtuu siitä, että op-vahvistimilla ei ole välttämätöntä kaistanleveyttä matalan vaihesiirron toteuttamiseksi suuremmilla taajuuksilla.
Nykyaikaisen nykyisen takaisinkytkentävahvistimen soveltaminen oskillaattoripiireihin näyttää vaikealta, koska ne ovat hyvin herkkiä palautekapasitanssille.
Jännitteen takaisinkytkentävahvistimet on rajoitettu vain muutamaan 100 kHz: iin, koska ne muodostavat liiallisen vaihesiirron.
Wien-sillan oskillaattori toimii pienellä määrällä osia, ja sen taajuusstabiilisuus on erittäin hyväksyttävä.
Mutta vääristymien hillitseminen Wien-sillan oskillaattorissa on vähemmän helppoa kuin itse värähtelyprosessin aloittaminen.
Neliöoskillaattori käy varmasti parilla op-ampeerilla, mutta siihen sisältyy paljon suurempi vääristymä. Vaihesiirtooskillaattoreilla, kuten Bubba-oskillaattoreilla, on kuitenkin paljon pienempi vääristymä ja jonkin verran kunnollista taajuuden vakautta.
Tämän sanottuaan tämän tyyppisten vaihesiirtymäoskillaattoreiden parannettu toiminnallisuus ei ole halpaa johtuen osien korkeampista kustannuksista piirin eri vaiheissa.
Liittyvät verkkosivustot
www.ti.com/sc/vahvistimet
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
Edellinen: Op amp-oskillaattorit Seuraava: 1000 watin ja 2000 watin tehovahvistinpiiri
