Operačné zosilňovače Oscilátory

Oscilátor zostavený pomocou operačného zosilňovača ako aktívneho prvku sa nazýva operačný zosilňovač oscilátor.

V tomto príspevku sa naučíme, ako navrhnúť oscilátory založené na operačnom zosilňovači, a ohľadom mnohých kritických faktorov potrebných na vytvorenie stabilného dizajnu oscilátora.

Oscilátory založené na operačných zosilňovačoch sa zvyčajne používajú na generovanie presných periodických kriviek, ako sú štvorcové, pílové, trojuholníkové a sínusové.

Všeobecne fungujú na generovanie výstupu pomocou jedného aktívneho zariadenia alebo lampy alebo kryštálu a sú spojené s niekoľkými pasívnymi zariadeniami, ako sú rezistory, kondenzátory a tlmivky.

Kategórie operačného zosilňovača

Nájdete niekoľko základných skupín oscilátorov: relaxačné a sínusové.

Relaxačné oscilátory vytvárajú trojuholníkové, pílkovité a iné nesinuoidné priebehy.

Sinusové oscilátory obsahujú operačné zosilňovače využívajúce ďalšie časti zvyknuté na vytváranie oscilácií alebo kryštály, ktoré majú zabudované generátory oscilácií.

Oscilátory sínusových vĺn sa používajú ako zdroje alebo testovacie krivky v mnohých obvodových aplikáciách.

Čistý sínusový oscilátor má iba individuálnu alebo základnú frekvenciu: ideálne bez akýchkoľvek harmonických.

Vo výsledku mohla byť sínusová vlna vstupom do obvodu pomocou vypočítaných výstupných harmonických na stanovenie úrovne skreslenia.

Tvary v relaxačných oscilátoroch sa vytvárajú prostredníctvom sínusových vĺn, ktoré sa sčítajú do požadovaného tvaru.

Oscilátory sú užitočné pri vytváraní konzistentných impulzov, ktoré sa používajú ako referencia v aplikáciách, ako sú audio, generátory funkcií, digitálne systémy a komunikačné systémy.

Oscilátory sínusovej vlny

Sinusové oscilátory zahŕňajú operačné zosilňovače využívajúce RC alebo LC obvody, ktoré obsahujú nastaviteľné kmitavé frekvencie, alebo kryštály, ktoré majú vopred stanovenú kmitočtovú frekvenciu.

Frekvencia a amplitúda kmitania sa určujú výberom pasívnych a aktívnych častí zapojených do centrálneho operačného zosilňovača.

Oscilátory založené na operačných zosilňovačoch sú obvody vytvorené tak, aby boli nestabilné. Nie typ, ktorý je občas neočakávane vyvinutý alebo navrhnutý v laboratóriu, skôr typy, ktoré sú zámerne vyrobené tak, aby boli naďalej v nestabilnom alebo oscilačnom stave.

Oscilátory operačného zosilňovača sú viazané na spodný koniec frekvenčného rozsahu z dôvodu skutočnosti, že operačným zosilňovačom chýba potrebná šírka pásma na implementáciu nízkofázového posunu pri vysokých frekvenciách.

Napäťovo-spätnoväzbové zosilňovače sú obmedzené na rozsah nízkych kHz, pretože ich hlavný pól s otvorenou slučkou je často tak malý ako 10 Hz.

Moderné prúdové zosilňovače so spätnou väzbou sú navrhnuté s podstatne väčšou šírkou pásma, ale je neuveriteľne ťažké ich implementovať v obvodoch oscilátora, pretože sú citlivé na spätnoväzbovú kapacitu.

Krištáľové oscilátory sa odporúčajú vo vysokofrekvenčných aplikáciách v rozsahu stoviek MHz.

Základné požiadavky

V najzákladnejšom type, ktorý sa tiež nazýva kanonický, sa používa metóda negatívnej spätnej väzby.

To sa stáva nevyhnutným predpokladom na spustenie oscilácie, ako je to znázornené na obrázku 1. Tu vidíme blokovú schému pre metódu, pri ktorej je VIN fixné ako vstupné napätie.

Vout znamená výstup z bloku A.

β označuje signál, ktorý sa tiež nazýva faktor spätnej väzby a ktorý sa dodáva späť do súčtu spojov.

E znamená chybový prvok ekvivalentný súčtu faktora spätnej väzby a vstupného napätia.

Výsledné rovnice pre obvod oscilátora sú uvedené nižšie. Prvá rovnica je dôležitá, ktorá definuje výstupné napätie. Rovnica 2 udáva faktor chyby.

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

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

Eliminácia chybového faktora E z vyššie uvedených rovníc dáva

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

Extrahovanie prvkov vo Vout dáva

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

Reorganizácia výrazov vo vyššie uvedenej rovnici nám poskytuje nasledujúci klasický vzorec spätnej väzby prostredníctvom rovnice # 5

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

Oscilátory sú schopné pracovať bez pomoci externého signálu. Časť výstupného impulzu sa skôr využíva ako vstup cez sieť s poplatkom za spätné získavanie.

Oscilácia sa inicializuje, keď spätná väzba nedosiahne stabilný ustálený stav. Stáva sa to preto, lebo prenosová akcia sa nesplní.

Táto nestabilita nastáva, keď sa menovateľ rovnice # 5 stane nulovým, ako je uvedené nižšie:

1 + Ap = 0 alebo Ap = -1.

Pri návrhu obvodu oscilátora je najdôležitejšie zaistiť Aβ = -1. Tento stav sa nazýva Barkhausenove kritérium .

Na splnenie tejto podmienky je nevyhnutné, aby hodnota zisku slučky zostala na jednote prostredníctvom zodpovedajúceho fázového posunu o 180 stupňov. Toto je pochopiteľné záporným znamienkom v rovnici.

Vyššie uvedené výsledky je možné alternatívne vyjadriť, ako je uvedené nižšie, pomocou symbolov komplexnej algebry:

Ap = 1 - 180 °

Pri navrhovaní oscilátora s pozitívnou spätnou väzbou je možné vyššie uvedenú rovnicu napísať ako:

Ap = 1 ㄥ 0 ° čo robí termín Aβ v rovnici # 5 negatívnym.

Keď Aβ = -1, výstup spätnej väzby má tendenciu pohybovať sa smerom k nekonečnému napätiu.

Keď sa toto priblíži k maximálnej úrovni napájania + alebo -, zmení sa úroveň aktívnych zariadení v obvodoch.

To spôsobí, že sa hodnota A stane Aβ ≠ -1, čo spomalí prístup spätnej väzby k nekonečnému napätiu a nakoniec ju zastaví.

Tu môžeme nájsť jednu z troch možností:

1. Nelineárne nasýtenie alebo prerušenie, ktoré spôsobí stabilizáciu a zablokovanie oscilátora.
2. Počiatočný náboj núti systém nasýtiť na oveľa dlhšie obdobie, kým sa opäť nestane lineárnym a začne sa blížiť k opačnej napájacej koľajnici.
3. Systém je naďalej v lineárnej oblasti a obracia sa smerom k protiľahlej napájacej koľajnici.

V prípade druhej možnosti dostaneme nesmierne skreslené oscilácie, zvyčajne vo forme kvázi štvorcových vĺn.

Čo je fázový posun v oscilátoroch

180 ° fázový posun v rovnici Aβ = 1 ㄥ -180 ° je vytvorený prostredníctvom aktívnej a pasívnej zložky.

Rovnako ako akýkoľvek správne navrhnutý obvod spätnej väzby sú oscilátory zostavené na základe fázového posuvu pasívnych súčiastok.

Je to preto, že výsledky pasívnych častí sú presné a prakticky bez driftov. Fázový posun získaný z aktívnych zložiek je väčšinou nepresný z dôvodu mnohých faktorov.

Môže sa driftovať so zmenami teploty, môže vykazovať veľkú počiatočnú toleranciu a tiež výsledky môžu závisieť od charakteristiky zariadenia.

Operačné zosilňovače sú vybrané tak, aby zabezpečili minimálny fázový posun na frekvenciu kmitania.

Jednopólový obvod RL (odpor-induktor) alebo RC (odpor-kondenzátor) prináša približne 90 ° fázový posun na jeden pól.

Pretože pre osciláciu je potrebných 180 °, sú pri navrhovaní oscilátora použité minimálne dva póly.

LC obvod má 2 póly, a preto poskytuje pre každý pár pólov fázový posun okolo 180 °.

Nebudeme tu však diskutovať o dizajnoch založených na LC z dôvodu zapojenia sady nízkofrekvenčných induktorov, ktoré môžu byť drahé, objemné a nežiaduce.

LC oscilátory sú určené pre vysokofrekvenčné aplikácie, ktoré môžu byť nad a nad frekvenčným rozsahom opampov na základe princípu napäťovej spätnej väzby.

Tu zistíte, že veľkosť, váha a cena tlmivky nie sú veľmi dôležité.

Fázový posun zisťuje frekvenciu oscilácií, pretože obvod pulzuje na frekvencii, ktorá vedie k fázovému posunu o 180 stupňov. O stabilite frekvencie rozhoduje df / dt alebo rýchlosť, s akou sa mení fázový posun s frekvenciou.

Keď sa kaskádované sekcie RC s tlmením používajú vo forme operačných zosilňovačov, ktoré ponúkajú vysokú vstupnú a nízku výstupnú impedanciu, fázový posun sa vynásobí počtom sekcií, n (pozri obrázok nižšie).

Napriek skutočnosti, že dve kaskádové RC sekcie poskytujú 180 ° fázový posun, môžete zistiť, že dФ / dt sú na frekvencii oscilátora minimálne.

Výsledkom je ponuka oscilátorov využívajúcich dve kaskádové RC sekcie nedostačujúca frekvenčná stabilita.

Tri identické kaskádové časti filtra RC poskytujú zvýšenú hodnotu dФ / dt, čo umožňuje oscilátoru vylepšenú stabilitu frekvencie.

Zavedením štvrtej RC sekcie sa však vytvorí oscilátor s vynikajúci dФ / dt.

Preto sa stáva extrémne stabilným nastavením oscilátora.

Štyri sekcie sú uprednostňovaným rozsahom hlavne preto, lebo opampy sú k dispozícii v štvorlôžkových balíkoch.

Štvorčlenný oscilátor tiež produkuje 4 sínusové vlny, ktoré sú navzájom posunuté o 45 ° fázu, čo znamená, že tento oscilátor umožňuje zachytiť sínusové / kosínusové alebo kvadratúrne sínusové vlny.

Používanie kryštálov a keramických rezonátorov

Kryštálové alebo keramické rezonátory nám poskytujú najstabilnejšie oscilátory. Je to tak preto, lebo rezonátory majú vďaka svojim nelineárnym vlastnostiam neuveriteľne vysoký dФ / dt.

Rezonátory sa používajú vo vysokofrekvenčných oscilátoroch, nízkofrekvenčné oscilátory však zvyčajne nepracujú s rezonátormi z dôvodu obmedzenia veľkosti, hmotnosti a nákladov.

Zistíte, že operačné zosilňovače sa nepoužívajú s keramickými rezonátorovými oscilátormi hlavne preto, že operačné zosilňovače majú zníženú šírku pásma.

Štúdie ukazujú, že je lacnejšie skonštruovať vysokofrekvenčný kryštálový oscilátor a upraviť výstup tak, aby sa získala nízka frekvencia, namiesto zabudovania nízkofrekvenčného rezonátora.

Zisk v oscilátoroch

Zisk oscilátora sa musí zhodovať jeden pri kmitavej frekvencii. Návrh je stabilný, akonáhle je zosilnenie väčšie ako 1 a oscilácie sa zastavia.

Akonáhle zisk dosiahne viac ako 1 spolu s fázovým posunom –180 °, nelineárna vlastnosť aktívneho zariadenia (operačný zosilňovač) zníži zisk na 1.

Ak dôjde k nelinearite, operačný zosilňovač sa pohybuje v blízkosti jednej (+/-) úrovne napájania v dôsledku zníženia prerušenia alebo nasýtenia zosilnenia aktívneho zariadenia (tranzistora).

Jedna zvláštna vec je, že zle navrhnuté obvody skutočne vyžadujú pri ich výrobe marginálne zisky presahujúce 1.

Na druhej strane vyšší zisk vedie k väčšiemu skresleniu výstupnej sínusovej vlny.

V prípadoch, keď je zisk minimálny, oscilácie za extrémne nepriaznivých okolností ustanú.

Keď je zisk veľmi vysoký, výstupný priebeh sa zdá byť oveľa podobnejší štvorcovej ako sínusovej.

Skreslenie je zvyčajne okamžitým dôsledkom príliš veľkého zisku nad riadením zosilňovača.

Zisk by sa mal preto riadiť opatrne pri dosahovaní oscilátorov s nízkym skreslením.

Oscilátory s fázovým posunom môžu vykazovať skreslenie, môžu však mať schopnosť dosiahnuť výstupné napätie s nízkym skreslením pomocou kaskádovaných RC sekcií s medzipamäťou.

Je to preto, že kaskádové RC sekcie sa správajú ako skresľovacie filtre. Okrem toho majú oscilátory fázového posunu v medzipamäti malé skreslenie, pretože zisk je riadený a rovnomerne vyvážený medzi vyrovnávacími pamäťami.

Záver

Z vyššie uvedenej diskusie sme sa naučili základný princíp fungovania oscilátorov operačného zosilňovača a pochopili základné kritériá pre dosiahnutie trvalých oscilácií. V nasledujúcom príspevku sa dozvieme o Wien-mostove oscilátory .