En fasförskjutningsoscillator är en oscillatorkrets utformad för att generera en sinusvågsutgång. Den fungerar med ett enda aktivt element som en BJT eller en förstärkare konfigurerad i ett inverterande förstärkarläge.
Kretsarrangemanget skapar en återkoppling från utgången till ingången genom att använda en RC (motstånd / kondensator) krets anordnad i ett stegenätverk. Introduktionen av denna återkoppling orsakar en positiv 'förskjutning' i utgångsfasen från förstärkaren med 180 grader vid oscillatorfrekvensen.
Storleken på fasförskjutning som skapats av RC-nätverket är frekvensberoende. Högre oscillatorfrekvenser skapar större fasförskjutning.
Följande omfattande förklaringar hjälper oss att lära oss konceptet i mer detaljerade detaljer.
I tidigare inlägg vi lärde oss om de kritiska överväganden som krävs vid utformningen av en op-amp-baserad fasförskjutningsoscillator. I det här inlägget tar vi det längre fram och vet mer om typer av fasförskjutningsoscillatorer och hur man beräknar de involverade parametrarna genom formler.
Wien-bridge-krets
Nedanstående diagram visar konfigurationen av Wien-bridge-kretsen.
Här kan vi bryta slingan vid opampens positiva ingång och beräkna retursignalen med följande ekvation 2:
När ⍵ = 2πpf = 1 / RC , återkopplingen är i fas (positiv feedback), med en vinst på 1/3 .
Därför behöver svängningarna opampkretsen ha en förstärkning på 3.
När R F = 2R G är förstärkarförstärkningen 3 och oscillationsinitierna vid f = 1 / 2πRC.
I vårt experiment svängde kretsen vid 1,65 kHz istället för 1,59 kHz med de angivna delvärdena i figur 3, men med en uppenbar distorsion.
Nästa figur nedan visar en Wien-bridge-krets som har icke-linjär feedback .
Vi kan se en lampa RL vars filamentmotstånd väljs mycket lågt, cirka 50% av återkopplingsmotståndsvärdet för RF, eftersom lampströmmen definieras av RF och RL.
Förhållandet mellan lampströmmen och lampmotståndet är olinjärt, hjälper till att hålla utspänningsvariationerna på minsta nivå.
Du kan också hitta många kretsar som innehåller dioder istället för ovanstående förklarade icke-linjära feedbackelementkoncept.
Användningen av en diod hjälper till att minska distorsionsnivån genom att erbjuda en mild utspänningsreglering.
Men om ovanstående metoder inte är gynnsamma för dig måste du gå till AGC-metoder, vilket på samma sätt hjälper till att få en minskad distorsion.
En vanlig Wien-bridge-oscillator som använder en AGC-krets visas i följande bild.
Här samplar den den negativa sinusvågen med hjälp av D1, och provet lagras inuti C1.
R1 och R2 beräknas så att den centrerar förspänningen på Q1 för att säkerställa att (R G + R Q1 ) är lika med R F / 2 med förväntad utspänning.
Om utspänningen tenderar att bli högre ökar motståndet för Q1 och därmed sänker förstärkningen.
I den första Wien-bryggoscillatorkretsen kan 0,833-voltsmatningen ses appliceras på den positiva opampingången. Detta gjordes för att centrera utgångsspänningen vid VCC / 2 = 2,5 V.
Fasförskjutningsoscillator (en opamp)
En fasförskjutningsoscillator kan också konstrueras med bara en enda opamp som visas ovan.
Det konventionella tänkandet är att i fasförskjutningskretsar är stegen isolerade och självstyrande av varandra. Detta ger oss följande ekvation:
När fasförskjutningen för enskild sektion är –60 ° är slingans fasförskjutning = –180 °. Detta händer när ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC sedan tangenten 60 ° = 1,73.
Värdet på β vid denna tidpunkt råkar vara (1/2)3, vilket innebär att förstärkningen, A, måste vara med en nivå 8 för att systemförstärkningen ska vara med en nivå på 1.
I detta diagram befanns svängningsfrekvensen för de angivna delvärdena vara 3,76 kHz och inte enligt den beräknade svängningsfrekvensen 2,76 kHz.
Dessutom mättes den förstärkning som var nödvändig för att initiera oscillation att vara 26 och inte enligt den beräknade förstärkningen på 8.
Denna typ av felaktigheter beror till viss del på komponentfel.
Men den viktigaste påverkande aspekten beror på fel förutsägelser att RC-stegen aldrig påverkar varandra.
Denna enkla opamp-kretsinstallation brukade vara ganska känd ibland när aktiva komponenter var skrymmande och dyra.
Numera är op-förstärkare ekonomiska och kompakta och finns med fyra nummer i ett enda paket, därför har den enda opamp fasförskjutningsoscillatorn så småningom tappat sitt erkännande.
Buffrad fasförskjutningsoscillator
Vi kan se en buffrad fasförskjutningsoscillator i figuren ovan, som pulserar vid 2,9 kHz istället för den förväntade idealfrekvensen på 2,76 kHz, och med en förstärkning på 8,33 i motsats till en idealförstärkning på 8.
Buffertarna förbjuder RC-sektionerna att påverka varandra och därför kan de buffrade fasförskjutningsoscillatorerna arbeta närmare den beräknade frekvensen och förstärkningen.
Motståndet RG som ansvarar för förstärkningsinställningen laddar den tredje RC-sektionen, vilket gör att den fjärde opampen i en fyrpadd kan fungera som en buffert för denna RC-sektion. Detta gör att effektivitetsnivån når ett idealvärde.
Vi kan extrahera en sinusvåg med låg distorsion från något av fasförskjutningsoscillatorstegen, men den mest naturliga sinusvågen kan härledas från utgången från den sista RC-sektionen.
Detta är vanligtvis en högimpedans lågströmskoppling, därför måste en krets med ett högimpedansingångssteg användas här för att undvika belastning och frekvensavvikelser som svar på belastningsvariationer.
Kvadraturoscillator
Kvadraturoscillatorn är en annan version av fasförskjutningsoscillatorn, men de tre RC-stegen är sammansatta på ett sätt som varje sektion lägger till 90 ° av fasförskjutning.
Utgångarna heter sinus och cosinus (kvadratur) helt enkelt för att det finns en 90 ° fasförskjutning mellan opamp-utgångar. Slingförstärkningen bestäms genom ekvation 4.
Med ⍵ = 1 / RC , Förenklar ekvation 5 till 1√ - 180 ° , vilket leder till svängningar vid ⍵ = 2πpf = 1 / RC.
Experimentkretsen pulserade vid 1,65 kHz i motsats till det beräknade värdet på 1,59 kHz, och skillnaden beror främst på variationer i delvärden.
Bubba-oscillator
Bubba-oscillatorn som visas ovan är ännu en variant av fasförskjutningsoscillator, men den har fördelen med quad op-amp-paketet för att producera några särdrag.
Fyra RC-sektioner kräver 45 ° fasförskjutning för varje sektion, vilket innebär att denna oscillator har en enastående dΦ / dt för att minska frekvensavvikelser.
Var och en av RC-sektionerna genererar fasförskjutning 45 °. Det betyder, eftersom vi har utgångar från alternativa sektioner garanterar kvadraturutgångar med låg impedans.
Varje gång en utgång extraheras från varje opamp producerar kretsen fyra 45 ° fasförskjutna sinusvågor. Loopekvationen kan skrivas som:
När ⍵ = 1 / RC , krymper ovanstående ekvationer till följande ekvationer 7 och 8.
Förstärkningen, A, bör nå värdet 4 för att initiera en svängning.
Analyskretsen svängde vid 1,76 kHz i motsats till idealfrekvensen 1,72 kHz medan förstärkningen verkade vara 4,17 istället för den ideala förstärkningen på 4.
På grund av minskad vinst TILL och lågförspänningsström op-amp, laddar inte motståndet RG som är ansvarigt för att fixera förstärkningen den sista RC-sektionen. Detta garanterar den mest exakta oscillatorfrekvensutgången.
Extremt lågförvrängda sinusvågor kan förvärvas från korsningen mellan R och RG.
När sinusvågor med låg distorsion behövs över alla utgångar, bör förstärkningen faktiskt fördelas lika mellan alla opamper.
Den icke-inverterande ingången på förstärkningsförstärkaren är förspänd vid 0,5 V för att skapa den vilande utspänningen vid 2,5 V. Förstärkningsfördelningen kräver en förspänning av de andra opamperna, men det påverkar säkert inte svängningsfrekvensen.
Slutsatser
I ovanstående diskussion förstod vi att Op amp fasförskjutningsoscillatorer är begränsade till den nedre änden av frekvensbandet.
Detta beror på att op-förstärkare inte har den nödvändiga bandbredden för att implementera låg fasförskjutning vid högre frekvenser.
Att använda de moderna strömåterkopplings-förstärkarna i oscillatorkretsar ser svårt ut eftersom de är mycket känsliga för återkopplingskapacitans.
Spänningsåterkopplings-förstärkare är begränsade till bara några få 100 kHz eftersom de bygger upp överdriven fasförskjutning.
Wien-bridge-oscillatorn fungerar med ett litet antal delar och dess frekvensstabilitet är mycket acceptabel.
Men att tona ner förvrängningen i en Wien-bridge-oscillator är mindre lättare än att inleda själva svängningsprocessen.
Kvadraturoscillatorn kör säkert med ett par op-förstärkare, men den innehåller mycket högre distorsion. Emellertid uppvisar fasförskjutningsoscillatorer, som Bubba-oscillatorn, mycket lägre distorsion tillsammans med en anständig frekvensstabilitet.
Med detta sagt blir den förbättrade funktionaliteten hos denna typ av fasförskjutningsoscillatorer inte billiga på grund av högre kostnader för de inblandade delarna över de olika stadierna i kretsen.
Relaterade webbplatser
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
Tidigare: Op amp-oscillatorer Nästa: 1000 watt till 2000 watt effektförstärkarkrets
