Op amp oscilatorji

Oscilator, zgrajen z uporabo op amp kot aktivnega elementa, se imenuje op amp oscilator.

V tem prispevku se naučimo, kako oblikovati oscilatorje, ki temeljijo na opampih, in glede številnih kritičnih dejavnikov, potrebnih za ustvarjanje stabilne zasnove oscilatorjev.

Os amplatorji, ki temeljijo na op amp, se običajno uporabljajo za ustvarjanje natančnih, periodičnih valovnih oblik, kot so kvadratni, žagasti, trikotni in sinusoidni.

Na splošno delujejo z uporabo ene same aktivne naprave, svetilke ali kristala, ki je povezana z nekaj pasivnimi napravami, kot so upori, kondenzatorji in induktorji, za ustvarjanje izhoda.

Kategorije oscilatorjev op-amp

Našli boste nekaj primarnih skupin oscilatorjev: sprostitveni in sinusoidni.

Sprostitveni oscilatorji tvorijo trikotne, žagaste in druge nesinuoidne valovne oblike.

Sinusoidni oscilatorji vključujejo op-ojačevalnike z uporabo dodatnih delov, navajenih ustvarjati nihanje, ali kristalov, ki imajo vgrajene generatorje nihanja.

Oscilatorji sinusnih valov se uporabljajo kot viri ali preskusne valovne oblike v številnih aplikacijah vezja.

Čisti sinusni oscilator ima izključno posamezno ali osnovno frekvenco: idealno brez harmonikov.

Posledično je lahko sinusoidni val vhod v vezje z uporabo izračunanih izhodnih harmonikov za določitev stopnje popačenja.

Valovne oblike v sprostitvenih oscilatorjih se proizvajajo skozi sinusoidne valove, ki se seštejejo, da dajo določeno obliko.

Oscilatorji so koristni za ustvarjanje skladnih impulzov, ki se uporabljajo kot referenca v aplikacijah, kot so avdio, funkcijski generatorji, digitalni sistemi in komunikacijski sistemi.

Oscilatorji sinusnih valov

Sinusoidni oscilatorji obsegajo ojačevalnike z uporabo RC ali LC vezij, ki vsebujejo nastavljive frekvence nihanja, ali kristale z vnaprej določeno frekvenco nihanja.

Frekvenco in amplitudo nihanja določimo z izbiro pasivnih in aktivnih delov, priključenih na centralni opcijski ojačevalnik.

Oscilatorji na osnovi op-amp so vezja, ki so ustvarjena nestabilna. Ne tisti, ki so včasih nepričakovano razviti ali oblikovani v laboratoriju, temveč tipi, ki so namerno izdelani, da bi še naprej ostali v nestabilnem ali nihajočem stanju.

Op-amp oscilatorji so vezani na spodnji del frekvenčnega območja, ker opampi nimajo potrebne pasovne širine za izvajanje nizkega faznega premika pri visokih frekvencah.

Opampi z napetostno povratno zvezo so omejeni na nizko kHz območje, saj je njihov glavni pol z odprto zanko pogosto majhen le 10 Hz.

Sodobni opampi s trenutnimi povratnimi informacijami so zasnovani z bistveno širšo pasovno širino, vendar jih je v oscilatorjskih vezjih neverjetno težko vgraditi, saj so občutljivi na povratno kapacitivnost.

Kristalni oscilatorji so priporočljivi v visokofrekvenčnih aplikacijah v območju od stotine MHz.

Osnovne zahteve

V najosnovnejšem tipu, imenovanem tudi kanonični tip, se uporablja metoda negativne povratne informacije.

To postane predpogoj za sprožitev nihanja, kot je prikazano na sliki 1. Tu vidimo blokovni diagram takšne metode, pri kateri je VIN fiksiran kot vhodna napetost.

Vout pomeni izhod iz bloka A.

β označuje signal, imenovan tudi povratni faktor, ki se dovaja nazaj na seštevalni spoj.

E pomeni element napake, enakovreden vsoti faktorja povratne informacije in vhodne napetosti.

Nastale enačbe za oscilatorjsko vezje si lahko ogledate spodaj. Prva enačba je pomembna, ki opredeljuje izhodno napetost. Enačba 2 daje faktor napake.

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

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

Izločitev faktorja napake E iz zgornjih enačb daje

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

Izvleček elementov v Voutu daje

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

Reorganizacija izrazov v zgornji enačbi nam zagotovi enačbo klasične povratne formule z enačbo št. 5

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

Oscilatorji lahko delujejo brez pomoči zunanjega signala. Del izhodnega impulza se namesto tega uporabi kot vhod prek omrežja s povratno povezavo.

Nihanje se sproži, ko povratne informacije ne dosežejo stabilnega stanja dinamičnega ravnovesja. To se zgodi, ker se dejanje prenosa ne izpolni.

Ta nestabilnost se pojavi, ko imenovalec enačbe 5 postane nič, kot je prikazano spodaj:

1 + Aβ = 0 ali Aβ = -1.

Ključno pri načrtovanju oscilatorja je zagotoviti Aβ = -1. Ta pogoj se imenuje Barkhausenovo merilo .

Za izpolnitev tega pogoja postane bistveno, da vrednost ojačanja zanke ostane enaka z ustreznim faznim premikom 180 stopinj. To razumemo z negativnim predznakom v enačbi.

Zgornje rezultate lahko alternativno izrazimo, kot je prikazano spodaj, z uporabo simbolov iz kompleksne algebre:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Med načrtovanjem oscilatorja pozitivnih povratnih informacij lahko zgornjo enačbo zapišemo kot:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° zaradi česar je izraz Aβ v enačbi 5 negativen.

Ko je Aβ = -1, se izhod povratne informacije ponavadi premika proti neskončni napetosti.

Ko se ta približa najvišjim nivojem napajanja + ali -, se v vezjih spremenijo aktivne naprave za ojačanje.

To povzroči, da vrednost A postane Aβ ≠ -1, kar upočasni pristop z neskončno napetostjo povratnih informacij in ga sčasoma ustavi.

Tukaj se nam lahko zgodi ena od treh možnosti:

1. Nelinearna nasičenost ali prekinitev, zaradi česar se oscilator stabilizira in zaklene.
2. Začetni naboj prisili sistem, da se dolgo časa nasiči, preden spet postane linearen in se začne približevati nasprotni napajalni tirnici.
3. Sistem je še naprej v linearnem območju in se vrne proti nasprotni dovodni tirnici.

V primeru druge možnosti dobimo izjemno popačena nihanja, običajno v obliki kvazi kvadratnih valov.

Kaj je fazni premik v oscilatorjih

Fazni premik za 180 ° v enačbi Aβ = 1 ㄥ -180 ° se ustvari z aktivnimi in pasivnimi komponentami.

Tako kot vsako pravilno zasnovano povratno vezje so tudi oscilatorji zgrajeni na podlagi faznega premika pasivnih komponent.

To je zato, ker so rezultati pasivnih delov natančni in praktično brez drsenja. Fazni premik, pridobljen iz aktivnih komponent, je večinoma netočen zaradi številnih dejavnikov.

Lahko se premika s temperaturnimi spremembami, lahko pokaže široko začetno toleranco in tudi rezultati so lahko odvisni od značilnosti naprave.

Op ojačevalniki so izbrani, da se zagotovi, da dosežejo najmanjši fazni premik na frekvenco nihanja.

Enopolni RL (upor-induktor) ali RC (upor-kaapcitor) vezje prinaša približno 90 ° faznega premika na pol.

Ker je za nihanje potrebno 180 °, sta pri načrtovanju oscilatorja uporabljena najmanj dva pola.

LC vezje ima 2 pola, zato zagotavlja približno 180 ° fazni premik za vsak par polov.

Vendar tukaj ne bomo razpravljali o modelih, ki temeljijo na LC, zaradi vključenega omrežja nizkofrekvenčnih induktorjev, ki so lahko dragi, obsežni in nezaželeni.

LC oscilatorji so namenjeni visokofrekvenčnim aplikacijam, ki lahko presegajo frekvenčno območje opampov na podlagi načela povratne napetosti.

Tu lahko ugotovite, da velikost, teža in stroški induktorja niso velikega pomena.

Fazni premik ugotavlja frekvenco nihanja, saj vezje pulzira s frekvenco, ki doseže fazni premik 180 stopinj. Df / dt ali hitrost, s katero se fazni premik spreminja s frekvenco, odloča o frekvenčni stabilnosti.

Ko se kaskadno pufrirani RC odseki uporabljajo v obliki opampov, ki ponujajo visoko vhodno in nizko izhodno impedanco, se fazni premik pomnoži s številom odsekov, n (glej sliko spodaj).

Kljub dejstvu, da dva kaskadna RC odseka predstavljata fazni premik za 180 °, boste morda ugotovili, da je dФ / dt pri frekvenci oscilatorja minimalen.

Kot rezultat ponujajo oscilatorji, izdelani z uporabo dveh kaskadnih RC odsekov neustrezen frekvenčna stabilnost.

Trije enaki kaskadni odseki RC filtra zagotavljajo povečan dF / dt, kar oscilatorju omogoča večjo frekvenčno stabilnost.

Vendar pa uvedba četrtega odseka RC ustvari oscilator z izjemno dФ / dt.

Zato to postane izredno stabilna nastavitev oscilatorja.

Najprimernejši obseg so štirje odseki, predvsem zato, ker so opampi na voljo v štirikolesnih paketih.

Tudi štiritrezni oscilator proizvaja 4 sinusne valove, ki so med seboj fazno pomaknjeni za 45 °, kar pomeni, da vam ta oscilator omogoča, da se dotaknete sinusnih / kosinusnih ali kvadraturnih sinusnih valov.

Uporaba kristalov in keramičnih resonatorjev

Kristalni ali keramični resonatorji nam zagotavljajo najbolj stabilne oscilatorje. To je zato, ker imajo resonatorji neverjetno visoke dФ / dt zaradi njihovih nelinearnih lastnosti.

Resonatorji se uporabljajo v visokofrekvenčnih oscilatorjih, vendar nizkofrekvenčni oscilatorji običajno ne delujejo z resonatorji zaradi velikosti, teže in stroškovnih omejitev.

Ugotovili boste, da se opcijski ojačevalniki ne uporabljajo s keramičnimi resonatorjskimi oscilatorji predvsem zato, ker opampi vključujejo manjšo pasovno širino.

Študije kažejo, da je ceneje zgraditi visokofrekvenčni kristalni oscilator in zmanjšati izhod, da bi dobili nizko frekvenco, namesto da bi vključili nizkofrekvenčni resonator.

Prirast oscilatorjev

Dobiček oscilatorja se mora ujemati eno pri frekvenci nihanja. Zasnova postane stabilna, ko je ojačanje večje od 1 in se nihanja ustavijo.

Takoj, ko ojačanje doseže več kot 1 skupaj s faznim premikom –180 °, nelinearna lastnost aktivne naprave (opamp) pade na 1.

Ko pride do nelinearnosti, se opamp niha v bližini obeh (+/-) dovodnih ravni zaradi zmanjšanja mejne vrednosti ali nasičenosti ojačanja aktivne naprave (tranzistorja).

Nenavadna stvar je, da slabo zasnovana vezja med proizvodnjo dejansko zahtevajo mejne dobičke, ki presegajo 1.

Po drugi strani pa večji dobiček vodi do večjega popačenja izhodnega sinusnega vala.

V primerih, ko je dobiček minimalen, nihanja v ekstremno neugodnih okoliščinah prenehajo.

Kadar je ojačanje zelo veliko, se zdi, da je izhodna valovna oblika veliko bolj podobna kvadratnemu, namesto sinusnemu.

Popačenje je ponavadi takojšnja posledica prevelikega ojačanja, ki ga povzroči ojačevalec.

Zato je treba za doseganje oscilatorjev z nizkim popačenjem previdno urejati dobiček.

Oscilatorji s faznim premikom lahko pokažejo popačenja, vendar imajo lahko zmožnost doseči izhodne napetosti z nizkim popačenjem z uporabo puferiranih kaskadnih RC odsekov.

To je zato, ker se kaskadni odseki RC obnašajo kot filtri za popačenje. Poleg tega puferski oscilatorji s faznim premikom doživljajo majhno popačenje, saj je ojačanje upravljano in enakomerno uravnoteženo med odbojniki.

Zaključek

Iz zgornje razprave smo se naučili osnovnega načela delovanja osamp-oscilatorjev in razumeli temeljna merila za doseganje trajnih nihanj. V naslednjem prispevku bomo izvedeli več o tem Oscilatorji Wien-bridge .