Oscilátor fázového posuvu je obvod oscilátora navrhnutý na generovanie sínusového výstupu. Pracuje s jedným aktívnym prvkom, ako je BJT alebo operačný zosilňovač nakonfigurovaný v režime inverzného zosilňovača.
Usporiadanie obvodov vytvára spätnú väzbu z výstupu na vstup pomocou obvodu RC (odpor / kondenzátor) usporiadaného v rebríkovej sieti. Zavedenie tejto spätnej väzby spôsobuje pozitívny „posun“ vo fáze výstupu zo zosilňovača o 180 stupňov pri frekvencii oscilátora.
Veľkosť fázového posuvu vytvoreného RC sieťou je frekvenčne závislá. Vyššie frekvencie oscilátora vytvárajú väčšie množstvo fázového posuvu.
Nasledujúce komplexné vysvetlenia nám pomôžu naučiť sa tento koncept podrobnejšie.
V predchádzajúci príspevok dozvedeli sme sa o potrebných kritických úvahách pri navrhovaní oscilátora fázového posuvu na báze op-amp. V tomto príspevku ho posunieme ďalej a dozvieme sa viac o typy oscilátorov fázového posuvu a ako vypočítať príslušné parametre pomocou vzorcov.
Wien-mostský okruh
Nižšie uvedený diagram zobrazuje nastavenie obvodu Wien-Bridge.
Tu môžeme prerušiť slučku na kladnom vstupe operačného zosilňovača a vypočítať návratový signál pomocou nasledujúcej rovnice 2:
Kedy ⍵ = 2πpf = 1 / RC , spätná väzba je vo fáze (pozitívna spätná väzba), ktorá má zisk 1/3 .
Preto oscilácie potrebujú, aby mal zosilňovací obvod zosilňovača 3.
Keď R F = 2R G , zisk zosilňovača je 3 a oscilácia sa začína pri f = 1 / 2πRC.
V našom experimente obvod osciloval pri 1,65 kHz namiesto 1,59 kHz pomocou indikovaných hodnôt častí na obrázku 3, ale so zjavným skreslením.
Nasledujúci obrázok ukazuje obvod Wien-Bridge, ktorý má nelineárna spätná väzba .
Vidíme žiarovku RL, ktorej odpor vlákna je zvolený veľmi nízky, asi 50% hodnoty odporu spätnej väzby RF, pretože prúd žiarovky je definovaný pomocou RF a RL.
Vzťah medzi prúdom žiarovky a odporom žiarovky je nelineárny, pomáha udržiavať kolísanie výstupného napätia na minimálnej úrovni.
Môžete tiež nájsť veľa obvodov obsahujúcich diódu namiesto vyššie vysvetleného konceptu nelineárnych prvkov spätnej väzby.
Použitie diódy pomáha znižovať úroveň skreslenia poskytovaním jemnej regulácie výstupného napätia.
Ak však vyššie uvedené metódy pre vás nie sú priaznivé, musíte použiť metódy AGC, ktoré rovnako pomáhajú dosiahnuť menšie skreslenie.
Spoločný Wien-Bridgeov oscilátor využívajúci obvod AGC je zobrazený na nasledujúcom obrázku.
Tu vzorkuje negatívnu sínusovú vlnu pomocou D1 a vzorka je uložená vo vnútri C1.
R1 a R2 sa počítajú tak, aby vycentrovali predpätie na Q1, aby sa zabezpečilo, že (R G + R. Q1 ) sa rovná R F / 2 s očakávaným výstupným napätím.
Ak má výstupné napätie tendenciu stúpať, stúpa odpor Q1 a následne klesá zisk.
V prvom obvode wienského mostového oscilátora je napájanie 0,833 voltu viditeľné na vstupnom kolíku kladného zosilňovača. Toto bolo urobené s cieľom sústrediť výstupné kľudové napätie pri VCC / 2 = 2,5 V.
Oscilátor s fázovým posunom (jeden operačný zosilňovač)
Oscilátor s fázovým posunom je možné tiež skonštruovať pomocou jediného operačného zosilňovača, ako je uvedené vyššie.
Tradičné myslenie je také, že v obvodoch s fázovým posuvom sú fázy izolované a navzájom sa riadia. Získame tak nasledujúcu rovnicu:
Keď je fázový posun jednotlivých sekcií –60 °, fázový posun slučky je = –180 °. To sa stane, keď ⍵ = 2πpf = 1,732 / RC keďže dotyčnica 60 ° = 1,73.
Hodnota β v tomto okamihu je (1/2)3, čo znamená, že zisk A musí byť na úrovni 8, aby zisk systému bol na úrovni 1.
V tomto diagrame bola zistená frekvencia kmitania pre uvedené hodnoty častí 3,76 kHz, a nie podľa vypočítanej frekvencie kmitania 2,76 kHz.
Okrem toho bol nameraný zisk nevyhnutný na zahájenie oscilácie 26 a nie ako vypočítaný zisk 8.
Tieto druhy nepresností sú do istej miery spôsobené nedokonalosťami komponentov.
Najvýznamnejší ovplyvňujúci aspekt je však spôsobený nesprávnymi predikciami, že fázy RC sa nikdy navzájom neovplyvnia.
Toto nastavenie jediného zosilňovača obvodu bolo známe v dobách, keď boli aktívne komponenty objemné a drahé.
V dnešnej dobe sú operačné zosilňovače ekonomické a kompaktné a sú k dispozícii so štyrmi číslami v jednom balíku, preto jediný operačný zosilňovač fázového posunu nakoniec stratil uznanie.
Oscilátor fázového posuvu s medzipamäťou
Na vyššie uvedenom obrázku môžeme vidieť tlmený fázový posunový oscilátor, ktorý pulzuje na 2,9 kHz namiesto očakávanej ideálnej frekvencie 2,76 kHz a so ziskom 8,33 na rozdiel od ideálneho zisku 8.
Vyrovnávacie pamäte zakazujú vzájomné ovplyvňovanie RC sekcií, a preto sú oscilátory s fázovým posunom v medzipamäti schopné pracovať bližšie k vypočítanej frekvencii a zosilneniu.
Rezistor RG zodpovedný za nastavenie zosilnenia načíta tretiu RC sekciu a umožňuje 4. operačnému zosilňovaču v štvornásobnom operačnom zosilňovači pôsobiť ako vyrovnávacia pamäť pre túto RC sekciu. To spôsobí, že úroveň účinnosti dosiahne ideálnu hodnotu.
Môžeme extrahovať sínusovú vlnu s nízkym skreslením z ktoréhokoľvek z stupňov fázového posunu oscilátora, ale najprirodzenejšiu sínusovú vlnu možno odvodiť z výstupu poslednej časti RC.
Toto je zvyčajne vysokoimpedančný nízkoprúdový prechod, preto sa tu musí použiť obvod s vysokoimpedančným vstupným stupňom, aby sa zabránilo zaťaženiu a odchýlkam frekvencie v reakcii na zmeny zaťaženia.
Kvadratúrny oscilátor
Kvadratúrny oscilátor je ďalšou verziou oscilátora fázového posuvu, avšak tri RC stupne sú zostavené tak, že každá sekcia predstavuje 90 ° fázového posuvu.
Výstupy sú pomenované sínusové a kosínusové (kvadratúrne) jednoducho preto, že medzi výstupmi operačného zosilňovača existuje fázový posun 90 °. Zisk slučky sa určuje pomocou rovnice 4.
S ⍵ = 1 / RC , Rovnica 5 sa zjednodušuje na 1√ - 180 ° , ktoré vedú k osciláciám pri ⍵ = 2πpf = 1 / RC.
Experimentovaný obvod pulzoval pri 1,65 kHz na rozdiel od vypočítanej hodnoty 1,59 kHz a rozdiel je spôsobený hlavne zmenami čiastkových hodnôt.
Bubbov oscilátor
Vyššie uvedený oscilátor Bubba je ešte ďalšou variantou oscilátora s fázovým posunom, ale z výhody štvorcového operačného zosilňovača má niekoľko charakteristických vlastností.
Štyri RC sekcie vyžadujú 45 ° fázový posun pre každú sekciu, čo znamená, že tento oscilátor má vynikajúci dΦ / dt na zníženie frekvenčných odchýlok.
Každá z RC sekcií generuje 45 ° fázový posun. To znamená, že pretože máme výstupy z alternatívnych sekcií, zaisťuje to nízkoimpedančné kvadratúrne výstupy.
Kedykoľvek je výstup extrahovaný z každého operačného zosilňovača, obvod produkuje štyri 45 ° sínusové vlny s fázovým posunom. Smyčkovú rovnicu možno napísať ako:
Kedy ⍵ = 1 / RC , vyššie uvedené rovnice sa zmenšujú na nasledujúce Rovnice 7 a 8.
Zisk, A, by mal dosiahnuť hodnotu 4, aby sa iniciovala oscilácia.
Analyzačný obvod osciloval na 1,76 kHz na rozdiel od ideálnej frekvencie 1,72 kHz, zatiaľ čo zisk sa zdal byť 4,17 namiesto ideálneho zisku 4.
Z dôvodu zníženého zisku TO a opačné zosilňovače s nízkym predpätím, rezistor RG zodpovedný za stanovenie zosilnenia nezaťažuje poslednú časť RC. To zaručuje najpresnejší frekvenčný výstup oscilátora.
Sínusové vlny s mimoriadne nízkym skreslením bolo možné získať z križovatky R a RG.
Kedykoľvek sú potrebné sínusové vlny s nízkym skreslením na všetkých výstupoch, zisk by sa mal skutočne rozdeliť rovnomerne medzi všetky operačné zosilňovače.
Neinvertujúci vstup zosilňovacieho operačného zosilňovača je predpätý na 0,5 V, aby sa vytvorilo kľudové výstupné napätie na 2,5 V. Distribúcia zosilnenia si vyžaduje predpätie ostatných operačných zosilňovačov, ale určite to nemá žiadny vplyv na frekvenciu kmitania.
Závery
Vo vyššie uvedenej diskusii sme pochopili, že oscilátory fázového posuvu zosilňovača Op sú obmedzené na spodný koniec frekvenčného pásma.
Je to tak kvôli skutočnosti, že operačné zosilňovače nemajú potrebnú šírku pásma na implementáciu nízkeho fázového posuvu pri vyšších frekvenciách.
Aplikácia moderných prúdových zosilňovačov so spätnou väzbou v obvodoch oscilátora vyzerá zložito, pretože sú veľmi citlivé na spätnoväzbovú kapacitu.
Opäťové zosilňovače napäťovej spätnej väzby sú obmedzené iba na niekoľko 100 kHz, pretože vytvárajú nadmerný fázový posun.
Oscilátor Wien-Bridge pracuje s malým počtom častí a jeho frekvenčná stabilita je veľmi prijateľná.
Zmierniť skreslenie vo Wien-mostovom oscilátore je však menej ľahké ako zahájiť samotný proces kmitania.
Kvadratúrny oscilátor určite pracuje s použitím niekoľkých operačných zosilňovačov, ale obsahuje oveľa vyššie skreslenie. Oscilátory s fázovým posunom, ako napríklad oscilátor Bubba, však vykazujú oveľa nižšie skreslenie spolu s určitou slušnou frekvenčnou stabilitou.
Z tohto dôvodu vylepšená funkčnosť tohto typu oscilátorov s fázovým posunom nie je lacná z dôvodu vyšších nákladov na zapojené časti v rôznych fázach obvodu.
Súvisiace webové stránky
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
Predchádzajúce: Oscilátory operačného zosilňovača Ďalej: 1000 W až 2 000 W obvod zosilňovača výkonu
