Een faseverschuivingsoscillator is een oscillatorcircuit dat is ontworpen om een sinusgolfoutput te genereren. Het werkt met een enkel actief element zoals een BJT of een opamp geconfigureerd in een inverterende versterkermodus.
De schakeling zorgt voor een terugkoppeling van de uitgang naar de ingang door middel van een RC-schakeling (weerstand / condensator) die is gerangschikt in een laddertype netwerk. De introductie van deze terugkoppeling veroorzaakt een positieve 'verschuiving' in de fase van de uitvoer van de versterker met 180 graden bij de oscillatorfrequentie.
De omvang van de faseverschuiving die door het RC-netwerk wordt gecreëerd, is frequentieafhankelijk. Hogere oscillatorfrequenties zorgen voor een grotere mate van faseverschuiving.
De volgende uitgebreide uitleg zal ons helpen om het concept in meer details te leren.
In de vorige post we leerden over de kritische overwegingen die nodig zijn bij het ontwerpen van een op-amp-gebaseerde faseverschuivingsoscillator. In dit bericht gaan we verder en weten we meer over de soorten faseverschuivingsoscillatoren en hoe de betrokken parameters door middel van formules berekend kunnen worden.
Wien-bridge-circuit
Het onderstaande diagram toont de opstelling van de Wien-bridge-schakeling.
Hier kunnen we de lus aan de positieve ingang van de opamp doorbreken en het terugkerende signaal berekenen met behulp van de volgende vergelijking 2:
Wanneer ⍵ = 2πpf = 1 / RC , de feedback is in fase (positieve feedback), met een winst van 1/3
Daarom hebben de oscillaties het opamp-circuit nodig om een versterking van 3 te hebben.
Toen R F. = 2R G , de versterkerversterking is 3 en de oscillatie begint bij f = 1 / 2πRC.
In ons experiment oscilleerde het circuit op 1,65 kHz in plaats van 1,59 kHz met behulp van de aangegeven deelwaarden in figuur 3, maar met een duidelijke vervorming.
De volgende afbeelding hieronder toont een Wien-brugcircuit met niet-lineaire feedback
We kunnen een lamp RL zien waarvan de filamentweerstand erg laag is geselecteerd, ongeveer 50% van de feedbackweerstandswaarde van RF, aangezien de lampstroom wordt bepaald door RF en RL.
Omdat de relatie tussen de lampstroom en de lampweerstand niet-lineair is, worden de variaties in de uitgangsspanning tot een minimum beperkt.
Mogelijk vindt u ook veel circuits met een diode in plaats van het hierboven toegelichte concept van niet-lineaire feedbackelementen.
Het gebruik van een diode helpt het vervormingsniveau te verminderen door een zachte regeling van de uitgangsspanning aan te bieden.
Als de bovenstaande methoden echter niet gunstig voor u zijn, moet u voor AGC-methoden gaan, wat op dezelfde manier helpt om een verminderde vervorming te krijgen.
Een gewone Wien-bridge-oscillator die een AGC-circuit gebruikt, wordt weergegeven in de volgende afbeelding.
Hier bemonstert het de negatieve sinusgolf door middel van D1, en het monster wordt opgeslagen in C1.
R1 en R2 worden zo berekend dat de bias op Q1 wordt gecentreerd om ervoor te zorgen dat (R G + R V1 ) is gelijk aan R F. / 2 met de verwachte uitgangsspanning.
Als de uitgangsspanning de neiging heeft om hoger te worden, stijgt de weerstand van Q1, waardoor de versterking wordt verlaagd.
In het eerste Wien-brugoscillatorcircuit is de 0,833-volt voeding te zien op de positieve opamp-ingangspen. Dit werd gedaan om de rustspanning van de uitgang te centraliseren bij VCC / 2 = 2,5 V.
Faseverschuivingsoscillator (één opamp)
Een faseverschuivingsoscillator kan ook worden geconstrueerd met slechts een enkele opamp, zoals hierboven weergegeven.
De conventionele gedachte is dat in faseverschuivingscircuits de fasen geïsoleerd zijn en zichzelf van elkaar besturen. Dit geeft ons de volgende vergelijking:
Wanneer de faseverschuiving van de individuele sectie –60 ° is, is de lusfaseverschuiving = –180 °. Dit gebeurt wanneer ⍵ = 2πpf 1.732 / RC aangezien de raaklijn 60 ° = 1,73.
De waarde van β is op dit moment toevallig (1/2)3, wat betekent dat de versterking, A, op een niveau van 8 moet zijn om de systeemversterking op een niveau van 1 te brengen.
In dit diagram bleek de oscillatiefrequentie voor de aangegeven deelwaarden 3,76 kHz te zijn, en niet volgens de berekende oscillatiefrequentie van 2,76 kHz.
Bovendien werd gemeten dat de versterking die nodig was om oscillatie te initiëren 26 was en niet volgens de berekende versterking van 8.
Dit soort onnauwkeurigheden zijn tot op zekere hoogte te wijten aan onvolkomenheden in de componenten.
Het belangrijkste aspect is echter te wijten aan de verkeerde voorspellingen dat de RC-fasen elkaar nooit beïnvloeden.
Deze opstelling met één opamp-schakeling was vroeger vrij goed bekend in tijden dat actieve componenten omvangrijk en duur waren.
Tegenwoordig zijn opamps zuinig en compact en zijn ze verkrijgbaar met vier nummers in één pakket, daarom heeft de faseverschuivingsoscillator met enkele opamp uiteindelijk zijn herkenning verloren.
Gebufferde faseverschuivingsoscillator
We kunnen een gebufferde faseverschuivingsoscillator zien in de bovenstaande afbeelding, pulserend op 2,9 kHz in plaats van de verwachte ideale frequentie van 2,76 kHz, en met een versterking van 8,33 in tegenstelling tot een ideale versterking van 8.
De buffers verhinderen dat de RC-secties elkaar beïnvloeden, en daarom kunnen de gebufferde faseverschuivingsoscillatoren dichter bij de berekende frequentie en versterking werken.
De weerstand RG die verantwoordelijk is voor de instelling van de versterking, laadt de derde RC-sectie, waardoor de 4e opamp in een quad-opamp als buffer voor deze RC-sectie kan fungeren. Hierdoor bereikt het efficiëntieniveau een ideale waarde.
We kunnen een sinusgolf met lage vervorming uit elk van de faseverschuivingsoscillatortrappen halen, maar de meest natuurlijke sinusgolf kan worden afgeleid uit de uitvoer van de laatste RC-sectie.
Dit is meestal een hoogohmige laagstroomovergang, daarom moet hier een schakeling met een hoogohmige ingangstrap worden gebruikt om belasting- en frequentieafwijkingen als reactie op belastingsvariaties te vermijden.
Kwadratuur oscillator
De kwadratuuroscillator is een andere versie van de faseverschuivingsoscillator, maar de drie RC-trappen zijn zo samengesteld dat elke sectie 90 ° faseverschuiving optelt.
De uitgangen worden sinus en cosinus (kwadratuur) genoemd, simpelweg omdat er een faseverschuiving van 90 ° bestaat tussen de opamp-uitgangen. De lusversterking wordt bepaald door middel van vergelijking 4.
Met ⍵ = 1 / RC , Vergelijking 5 vereenvoudigt tot 1√ - 180 ° , wat leidt tot oscillaties bij ⍵ = 2πpf = 1 / RC.
Het geëxperimenteerde circuit pulseerde op 1,65 kHz in tegenstelling tot de berekende waarde van 1,59 kHz, en het verschil is voornamelijk te wijten aan variaties in de deelwaarde.
Bubba-oscillator
De Bubba-oscillator die hierboven wordt getoond, is nog een andere variant van de faseverschuivingsoscillator, maar hij profiteert van het voordeel van het quad op-amp-pakket om een paar onderscheidende kenmerken te produceren.
Vier RC-secties vragen om een faseverschuiving van 45 ° voor elke sectie, wat betekent dat deze oscillator wordt geleverd met een uitstekende dΦ / dt om frequentieafwijkingen te verminderen.
Elk van de RC-secties genereert een faseverschuiving van 45 °. Dit betekent dat omdat we uitgangen van alternatieve secties hebben, kwadratuuruitgangen met lage impedantie verzekerd zijn.
Telkens wanneer een uitvoer wordt geëxtraheerd uit elke opamp, produceert het circuit vier in fase verschoven sinusgolven van 45 °. De lusvergelijking kan worden geschreven als:
Wanneer ⍵ = 1 / RCs , krimpen de bovenstaande vergelijkingen in de volgende vergelijkingen 7 en 8.
De versterking, A, moet de waarde 4 bereiken om een oscillatie te initiëren.
Het analysecircuit oscilleerde op 1,76 kHz in tegenstelling tot de ideale frequentie 1,72 kHz, terwijl de versterking 4,17 leek te zijn in plaats van de ideale versterking van 4.
Vanwege een verminderde winst NAAR en lage instelstroom op-amps, laadt de weerstand RG die verantwoordelijk is voor het vastleggen van de versterking de laatste RC-sectie niet. Dit garandeert de meest nauwkeurige oscillatorfrequentie-output.
Extreem lage vervorming sinusgolven kunnen worden verkregen vanaf de kruising van R en RG.
Als er sinusgolven met lage vervorming nodig zijn over alle uitgangen, moet de versterking eigenlijk gelijk worden verdeeld over alle opamps.
De niet-inverterende ingang van de versterkings-op-amp is voorgespannen op 0,5 V om de rustende uitgangsspanning op 2,5 V te creëren. Versterkingsverdeling vereist een voorspanning van de andere opamps, maar het heeft zeker geen enkele invloed op de oscillatiefrequentie.
Conclusies
In de bovenstaande bespreking hebben we begrepen dat opamp-faseverschuivingsoscillatoren beperkt zijn tot het onderste uiteinde van de frequentieband.
Dit komt door het feit dat op-amps niet de essentiële bandbreedte hebben voor het implementeren van lage faseverschuiving bij hogere frequenties.
Het toepassen van de moderne current-feedback op-amps in oscillatorcircuits lijkt moeilijk, omdat deze erg gevoelig zijn voor feedbackcapaciteiten.
Voltage feedback op-amps zijn beperkt tot slechts een paar 100 kHz, omdat ze een overmatige faseverschuiving opbouwen.
De Wien-bridge-oscillator werkt met een klein aantal onderdelen en de frequentiestabiliteit is zeer acceptabel.
Maar het afzwakken van de vervorming in een Wien-bridge-oscillator is minder eenvoudiger dan het oscillatieproces zelf te starten.
De kwadratuuroscillator werkt zeker met een paar op-amps, maar bevat veel hogere vervorming. Faseverschuivingsoscillatoren, zoals de Bubba-oscillator, vertonen echter veel lagere vervorming samen met een behoorlijke frequentiestabiliteit.
Dit gezegd hebbende, is de verbeterde functionaliteit van dit type faseverschuivingsoscillatoren niet goedkoop vanwege de hogere kosten van de betrokken onderdelen in de verschillende fasen van het circuit.
Gerelateerde websites
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
Vorige: Oscillatoren op amp Volgende: 1000 watt tot 2000 watt Power Amplifier Circuit
