Oscillatoren op amp

Een oscillator die is opgebouwd met een opamp als het actieve element, wordt een opamp-oscillator genoemd.

In deze post leren we hoe we opamp-gebaseerde oscillatoren kunnen ontwerpen, en met betrekking tot de vele kritische factoren die nodig zijn voor het genereren van een stabiel oscillatorontwerp.

Op amp-gebaseerde oscillatoren worden normaal gesproken gebruikt om nauwkeurige, periodieke golfvormen te genereren, zoals vierkant, zaagtand, driehoekig en sinusvormig.

Over het algemeen werken ze met behulp van een enkel actief apparaat, of een lamp of een kristal, en worden ze geassocieerd met een paar passieve apparaten zoals weerstanden, condensatoren en inductoren om de output te genereren.

Op-amp Oscillator Categories

U vindt een paar primaire groepen oscillatoren: relaxatie en sinusoïdaal.

Ontspanningsoscillatoren produceren de driehoekige, zaagtand- en andere niet-nonsinuïdale golfvormen.

Sinusoïdale oscillatoren bevatten op-amps die gebruik maken van extra onderdelen die gewend zijn om oscillatie te creëren, of kristallen die ingebouwde oscillatiegeneratoren hebben.

Sinusgolfoscillatoren worden gebruikt als bronnen of testgolfvormen in tal van circuittoepassingen.

Een zuivere sinusvormige oscillator heeft alleen een individuele of basisfrequentie: idealiter zonder harmonischen.

Als gevolg hiervan zou een sinusvormige golf de invoer van een circuit kunnen zijn, waarbij berekende uitvoerharmonischen worden gebruikt om het vervormingsniveau vast te stellen.

De golfvormen in relaxatieoscillatoren worden geproduceerd door sinusvormige golven die worden opgeteld om de voorgeschreven vorm te leveren.

Oscillatoren zijn nuttig voor het produceren van consistente impulsen die worden gebruikt als referentie in toepassingen zoals audio, functiegeneratoren, digitale systemen en communicatiesystemen.

Sinusgolfoscillatoren

Sinusoïdale oscillatoren bestaan ​​uit op-amps die gebruik maken van RC- of LC-circuits die instelbare oscillatiefrequenties bevatten, of kristallen die een vooraf bepaalde oscillatiefrequentie hebben.

De frequentie en amplitude van oscillatie worden bepaald door de selectie van passieve en actieve onderdelen die zijn aangesloten op de centrale op-amp.

Op-amp-gebaseerde oscillatoren zijn circuits die zijn gemaakt om onstabiel te zijn. Niet het type dat soms onverwachts in het laboratorium wordt ontwikkeld of ontworpen, maar typen die opzettelijk zijn gebouwd om in een onstabiele of oscillerende toestand te blijven.

Opamp-oscillatoren zijn gebonden aan het onderste uiteinde van het frequentiebereik vanwege het feit dat opamps niet de benodigde bandbreedte hebben voor het implementeren van de lage faseverschuiving bij hoge frequenties.

Voltage-feedback-opamps zijn beperkt tot een laag kHz-bereik, aangezien hun belangrijkste, open-luspool vaak zo klein is als 10 Hz.

De moderne opamps met stroomterugkoppeling zijn ontworpen met een aanzienlijk grotere bandbreedte, maar deze zijn ongelooflijk moeilijk te implementeren in oscillatorcircuits omdat ze gevoelig zijn voor feedbackcapaciteit.

Kristaloscillatoren worden aanbevolen in hoogfrequente toepassingen in het bereik van honderden MHz.

Basis benodigdheden

In het meest basale type, ook wel het canonieke type genoemd, wordt een negatieve feedbackmethode gebruikt.

Dit wordt de voorwaarde voor het initiëren van de oscillatie, zoals weergegeven in figuur 1. Hier zien we het blokschema voor een dergelijke methode waarin VIN is vastgesteld als de ingangsspanning.

Vout staat voor de uitvoer van het blok A.

β staat voor het signaal, ook wel de feedbackfactor genoemd, dat wordt teruggevoerd naar de sommeerovergang.

E staat voor het foutelement equivalent aan de som van de feedbackfactor en de ingangsspanning.

De resulterende vergelijkingen voor een oscillatorcircuit zijn hieronder te zien. De eerste vergelijking is de belangrijkste die de uitgangsspanning definieert. Vergelijking 2 geeft de foutfactor.

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

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

Het elimineren van de foutfactor E uit de bovenstaande vergelijkingen geeft

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

Het extraheren van de elementen in Vout geeft

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

Door de termen in de bovenstaande vergelijking opnieuw te ordenen, krijgen we de volgende klassieke feedbackformule via vergelijking # 5

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

Oscillatoren kunnen werken zonder de hulp van een extern signaal. In plaats daarvan wordt een deel van de uitgangspuls gebruikt als de ingang via een vergoedingsnetwerk.

Een oscillatie wordt geïnitieerd wanneer de feedback er niet in slaagt een stabiele stabiele toestand te bereiken. Dit gebeurt omdat de overdrachtsactie niet wordt vervuld.

Deze onstabiliteit treedt op wanneer de noemer van vergelijking # 5 nul wordt, zoals hieronder weergegeven:

1 + Aβ = 0, of Aβ = -1.

Het cruciale bij het ontwerpen van een oscillatorcircuit is ervoor te zorgen dat Aβ = -1. Deze toestand wordt de Barkhausen criterium ​

Om aan deze voorwaarde te voldoen, wordt het essentieel dat de lusversterkingswaarde op één blijft door een overeenkomstige 180 graden faseverschuiving. Dit wordt begrepen door het minteken in de vergelijking.

De bovenstaande resultaten kunnen ook worden uitgedrukt zoals hieronder weergegeven met symbolen uit complexe algebra:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Bij het ontwerpen van een positieve feedbackoscillator kan de bovenstaande vergelijking worden geschreven als:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° wat de term Aβ in vergelijking # 5 negatief maakt.

Wanneer Aβ = -1 neigt de feedbackoutput naar een oneindige spanning te bewegen.

Wanneer dit de maximale + of - voedingsniveaus nadert, verandert het versterkingsniveau van actieve apparaten in de circuits.

Dit zorgt ervoor dat de waarde van A Aβ ≠ -1 wordt, wat de benadering van de oneindige feedbackspanning vertraagt ​​en uiteindelijk tot stilstand brengt.

Hier vinden we misschien een van de drie mogelijkheden:

1. Niet-lineaire verzadiging of afsnijding waardoor de oscillator stabiliseert en vergrendelt.
2. De initiële lading dwingt het systeem om gedurende een veel lange periode te verzadigen voordat het weer lineair wordt en de tegenoverliggende toevoerrail begint te naderen.
3. Het systeem blijft in het lineaire gebied en keert terug naar de tegenoverliggende toevoerrail.

In het geval van de tweede mogelijkheid krijgen we een enorm vervormde oscillaties, meestal in de vorm van quasi vierkante golven.

Wat is faseverschuiving in oscillatoren

De faseverschuiving van 180 ° in de vergelijking Aβ = 1 ㄥ -180 ° wordt gecreëerd door de actieve en passieve componenten.

Net als elk correct ontworpen feedbackcircuit, worden oscillatoren gebouwd op basis van de faseverschuiving van de passieve componenten.

Dit komt doordat de resultaten van passieve onderdelen nauwkeurig en praktisch driftvrij zijn. De faseverschuiving die wordt verkregen uit actieve componenten is meestal onnauwkeurig vanwege vele factoren.

Het kan afwijken met temperatuurveranderingen, kan een brede aanvankelijke tolerantie vertonen en ook de resultaten kunnen afhankelijk zijn van de karakteristiek van het apparaat.

Opamps worden gekozen om ervoor te zorgen dat ze een minimale faseverschuiving tot stand brengen naar de frequentie van de oscillatie.

Een enkelpolige RL (resistor-inductor) of RC (resistor-caapcitor) schakeling zorgt voor ongeveer 90 ° faseverschuiving per pool.

Omdat 180 ° nodig is voor oscillatie, worden minimaal twee polen gebruikt bij het ontwerpen van een oscillator.

Een LC-circuit heeft dus 2 polen en biedt daarom ongeveer 180 ° faseverschuiving voor elk poolpaar.

We zullen hier echter geen op LC gebaseerde ontwerpen bespreken vanwege de aanwezigheid van laagfrequente inductoren die duur, omvangrijk en ongewenst kunnen zijn.

LC-oscillatoren zijn bedoeld voor hoogfrequente toepassingen, die zich boven het frequentiebereik van opamps kunnen bevinden op basis van het spanningsterugkoppelingsprincipe.

Hier vindt u misschien dat de grootte, het gewicht en de kosten van de inductor niet erg belangrijk zijn.

Faseverschuiving stelt de oscillatiefrequentie vast, aangezien het circuit pulseert met de frequentie die een faseverschuiving van 180 graden oplevert. De df / dt of de snelheid waarmee de faseverschuiving verandert met de frequentie, bepaalt de frequentiestabiliteit.

Wanneer gecascadeerde gebufferde RC-secties worden gebruikt in de vorm van opamps, die een hoge input en een lage outputimpedantie bieden, vermenigvuldigt de faseverschuiving zich met het aantal secties, n (zie onderstaande afbeelding).

Ondanks het feit dat twee gecascadeerde RC-secties een faseverschuiving van 180 ° vertonen, is het mogelijk dat dФ / dt minimaal is bij de oscillatorfrequentie.

Als resultaat bieden oscillatoren die zijn geconstrueerd met behulp van twee gecascadeerde RC-secties onvoldoende Frequentie Stabiliteit.

Drie identieke gecascadeerde RC-filtersecties zorgen voor een verhoogde dФ / dt, waardoor de oscillator een verbeterde frequentiestabiliteit krijgt.

Door echter een vierde RC-sectie te introduceren, ontstaat een oscillator met een uitstekend dФ / dt.

Daarom wordt dit een uiterst stabiele oscillatoropstelling.

Vier secties hebben toevallig de voorkeur, voornamelijk omdat opamps beschikbaar zijn in quad-pakketten.

Bovendien produceert de oscillator met vier secties 4 sinusgolven die 45 ° in fase zijn verschoven ten opzichte van elkaar, wat betekent dat u met deze oscillator sinus / cosinus of kwadratuur sinusgolven kunt vastleggen.

Met behulp van kristallen en keramische resonatoren

Kristal- of keramische resonatoren geven ons de meest stabiele oscillatoren. Dit komt omdat resonatoren een ongelooflijk hoge dФ / dt hebben als gevolg van hun niet-lineaire eigenschappen.

Resonatoren worden toegepast in hoogfrequente oscillatoren, maar laagfrequente oscillatoren werken meestal niet met resonatoren vanwege de afmetingen, het gewicht en de kosten.

U zult zien dat opamps niet worden gebruikt met keramische resonatoroscillatoren, voornamelijk omdat opamps een verminderde bandbreedte hebben.

Studies tonen aan dat het minder duur is om een ​​hoogfrequente kristaloscillator te construeren en de output te verlagen om een ​​lage frequentie te verkrijgen in plaats van een laagfrequente resonator op te nemen.

Win in oscillatoren

De winst van een oscillator moet overeenkomen een op de oscillatiefrequentie. Het ontwerp wordt stabiel zodra de versterking groter is dan 1 en de oscillaties stoppen.

Zodra de versterking meer dan 1 bereikt samen met een faseverschuiving van –180 °, zakt de niet-lineaire eigenschap van het actieve apparaat (opamp) de versterking naar 1.

Wanneer niet-lineariteit optreedt, zwaait de opamp nabij de (+/-) voedingsniveaus vanwege de vermindering van de afsnijding of verzadiging van de versterking van het actieve apparaat (transistor).

Een vreemd ding is dat de slecht ontworpen circuits tijdens hun productie eigenlijk marginale winsten van meer dan 1 vragen.

Aan de andere kant leidt een hogere versterking tot een grotere hoeveelheid vervorming voor de uitgangssinusgolf.

In gevallen waar de versterking minimaal is, houden oscillaties op onder extreem ongunstige omstandigheden.

Als de versterking erg hoog is, lijkt de uitgangsgolfvorm veel meer op een blokgolf dan op een sinusgolf.

Vervorming is meestal een direct gevolg van te veel versterking die de versterker overbelast.

Daarom moet de versterking voorzichtig worden geregeld om oscillatoren met lage vervorming te bereiken.

Faseverschuivingsoscillatoren kunnen vervormingen vertonen, maar ze hebben mogelijk de mogelijkheid om uitgangsspanningen met lage vervorming te bereiken met gebufferde gecascadeerde RC-secties.

Dit komt doordat gecascadeerde RC-secties zich gedragen als vervormingsfilters. Bovendien ervaren gebufferde faseverschuivingsoscillatoren een lage vervorming, aangezien de versterking wordt beheerd en uniform wordt uitgebalanceerd tussen de buffers.

Gevolgtrekking

Uit de bovenstaande discussie hebben we het basiswerkprincipe van opamp-oscillatoren geleerd en begrepen wat betreft de fundamentele criteria voor het bereiken van aanhoudende oscillaties. In het volgende bericht zullen we meer leren over Wien-bridge oscillatoren ​