Op amp oscilatori

Oscilatora uzbūve, izmantojot op amp kā aktīvo elementu, tiek dēvēta par op amp oscilatoru.

Šajā amatā mēs uzzinām, kā izstrādāt uz opamp balstītus oscilatorus, un par daudziem kritiskajiem faktoriem, kas nepieciešami, lai izveidotu stabilu oscilatoru konstrukciju.

Uz ampēru balstītie oscilatori parasti tiek izmantoti, lai ģenerētu precīzas, periodiskas viļņu formas, piemēram, kvadrātveida, zāģveida, trīsstūrveida un sinusoidālas.

Parasti izejas ģenerēšanai tie darbojas, izmantojot vienu aktīvu ierīci vai lampu, vai kristālu, un, lai izveidotu izeju, tās savieno dažas pasīvas ierīces, piemēram, rezistori, kondensatori un induktori.

Op-amp oscilatoru kategorijas

Jūs atradīsit pāris primārās oscilatoru grupas: relaksācijas un sinusoidālās.

Relaksācijas oscilatori rada trīsstūrveida, zāģveida un citas nonsinuoidal viļņu formas.

Sinusoīdie oscilatori ietver op-ampērus, izmantojot papildu daļas, kas pieradušas radīt svārstības, vai kristālus, kuriem ir iebūvēti svārstību ģeneratori.

Sinusa viļņu oscilatori tiek izmantoti kā avoti vai testa viļņu formas daudzos ķēdes pielietojumos.

Tīram sinusoidālajam oscilatoram ir tikai individuāla vai pamata frekvence: ideālā gadījumā bez jebkādām harmonikām.

Rezultātā sinusoidāls vilnis varētu būt ieeja ķēdē, izmantojot aprēķinātās izejas harmonikas, lai noteiktu deformācijas līmeni.

Viļņu formas relaksācijas oscilatoros rada sinusoidāli viļņi, kas tiek summēti, lai nodrošinātu noteikto formu.

Oscilatori ir noderīgi, lai radītu konsekventus impulsus, kurus izmanto kā atsauci tādās lietojumprogrammās kā audio, funkciju ģeneratori, digitālās sistēmas un sakaru sistēmas.

Sine Wave oscilatori

Sinusoidālie oscilatori ietver op-ampērus, izmantojot RC vai LC ķēdes, kas satur regulējamas svārstību frekvences, vai kristālus, kuriem piemīt iepriekš noteikta svārstību frekvence.

Svārstību biežumu un amplitūdu nosaka, izvēloties pasīvās un aktīvās daļas, kas savienotas ar centrālo op-amp.

Uz ampēriem balstītie oscilatori ir shēmas, kas izveidotas kā nestabilas. Nevis tips, kas brīžiem tiek negaidīti izstrādāts vai izstrādāts laboratorijā, drīzāk tipi, kas ir apzināti būvēti, lai arī turpmāk būtu nestabili vai svārstīgi.

Op-amp oscilatori ir piesaistīti frekvenču diapazona apakšējam galam, jo ​​opampiem trūkst vajadzīgā joslas platuma, lai zemās fāzes nobīdi īstenotu augstās frekvencēs.

Sprieguma-atgriezeniskās saites opampi ir ierobežoti zemā kHz diapazonā, jo to galvenais, atvērtās cilpas pols bieži ir tik mazs kā 10 Hz.

Mūsdienu strāvas atgriezeniskās saites opamps ir veidots ar ievērojami lielāku joslas platumu, taču tos ir neticami grūti ieviest oscilatoru ķēdēs, jo tie ir jutīgi pret atgriezeniskās saites kapacitāti.

Kristāla oscilatori ir ieteicami augstfrekvences lietojumos simtiem MHz diapazonā.

Pamatprasības

Visvienkāršākajā tipā, ko sauc arī par kanonisko tipu, tiek izmantota negatīvās atgriezeniskās saites metode.

Tas kļūst par priekšnoteikumu svārstību uzsākšanai, kā parādīts 1. attēlā. Šeit mēs redzam tādas metodes bloku diagrammu, kur VIN ir fiksēts kā ieejas spriegums.

Vout nozīmē bloka A izvadi.

β apzīmē signālu, ko sauc arī par atgriezeniskās saites koeficientu, kas tiek piegādāts atpakaļ summēšanas mezglā.

E apzīmē kļūdas elementu, kas ir vienāds ar atgriezeniskās saites koeficienta un ieejas sprieguma summu.

Rezultātā iegūtos oscilatora ķēdes vienādojumus var redzēt zemāk. Pirmais vienādojums ir svarīgs, kas nosaka izejas spriegumu. 2. vienādojums norāda kļūdas koeficientu.

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

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

Izslēdzot kļūdas koeficientu E no iepriekš minētajiem vienādojumiem, iegūst

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

Iegūstot elementus Vout, dod

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

Terminu pārkārtošana iepriekšminētajā vienādojumā nodrošina šādu klasisko atgriezeniskās saites formulu, izmantojot vienādojumu # 5

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

Oscilatori spēj darboties bez ārēja signāla palīdzības. Drīzāk izejas impulsa daļa tiek izmantota kā ievade caur maksas tīklu.

Svārstības tiek uzsāktas, ja atgriezeniskā saite nespēj sasniegt stabilu līdzsvara stāvokli. Tas notiek tāpēc, ka pārsūtīšanas darbība netiek izpildīta.

Šī nestabilitāte rodas, kad vienādojuma # 5 saucējs kļūst nulle, kā parādīts zemāk:

1 + Aβ = 0 vai Aβ = -1.

Izstrādājot oscilatora ķēdi, izšķirošā lieta ir nodrošināt Aβ = -1. Šo stāvokli sauc par Barkhauzena kritērijs .

Lai apmierinātu šo nosacījumu, ir svarīgi, lai cilpas pieauguma vērtība paliktu vienota, izmantojot atbilstošu 180 grādu fāzes nobīdi. To saprot vienādojuma negatīvā zīme.

Iepriekš minētos rezultātus var alternatīvi izteikt, kā parādīts zemāk, izmantojot sarežģītas Algebra simbolus:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Projektējot pozitīvas atgriezeniskās saites oscilatoru, iepriekš minēto vienādojumu var rakstīt šādi:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° kas padara terminu Aβ vienādojumā # 5 negatīvu.

Kad Aβ = -1, atgriezeniskās saites izejai ir tendence virzīties uz bezgalīgu spriegumu.

Kad tas tuvojas maksimālajam + vai - piegādes līmenim, ķēdēs mainās pastiprināšanas līmeņa aktīvās ierīces.

Tas liek A vērtībai kļūt par Aβ ≠ -1, palēninot atgriezeniskās saites bezgalīgā sprieguma pieeju, galu galā to apturot.

Šeit mēs varam atrast vienu no trim iespējām:

1. Nelineārs piesātinājums vai nogriešana, kas izraisa oscilatora stabilizēšanos un bloķēšanos.
2. Sākotnējā uzlāde liek sistēmai piesātināties daudz ilgāk, pirms tā atkal kļūst lineāra un sāk tuvoties pretējam piegādes sliedei.
3. Sistēma turpina atrasties lineārajā apgabalā un atgriežas pretējā piegādes sliedē.

Otrās iespējas gadījumā mēs iegūstam ārkārtīgi sagrozītas svārstības, parasti kvazi kvadrātveida viļņu formā.

Kas ir fāzes nobīde oscilatoros

180 ° fāzes nobīde vienādojumā Aβ = 1 ㄥ -180 ° tiek izveidota caur aktīvo un pasīvo komponentu.

Tāpat kā jebkura pareizi veidota atgriezeniskās saites ķēde, arī oscilatori tiek veidoti, pamatojoties uz pasīvo komponentu fāzes nobīdi.

Tas ir tāpēc, ka pasīvo daļu rezultāti ir precīzi un praktiski bez dreifēšanas. Fāžu nobīde, kas iegūta no aktīvajiem komponentiem, lielākoties ir neprecīza daudzu faktoru dēļ.

Tas var novirzīties no temperatūras izmaiņām, var uzrādīt plašu sākotnējo pielaidi, kā arī rezultāti var būt atkarīgi no ierīces raksturlielumiem.

Op ampēri tiek izvēlēti, lai nodrošinātu, ka tie nodrošina minimālu fāzes nobīdi līdz svārstību frekvencei.

Viena pola RL (rezistors-induktors) vai RC (rezistors-kondensators) ķēde nodrošina aptuveni 90 ° fāzes nobīdi uz vienu polu.

Tā kā svārstībām nepieciešams 180 °, projektējot oscilatoru, tiek izmantoti vismaz divi stabi.

LC ķēdei ir 2 stabi, tāpēc tā nodrošina aptuveni 180 ° fāzes nobīdi katram polu pārim.

Tomēr mēs šeit neapspriedīsim uz LC balstītus dizainus zemas frekvences induktoru ieslēgšanas dēļ, kas var būt dārgi, apjomīgi un nevēlami.

LC oscilatori ir paredzēti augstas frekvences lietojumiem, kas var pārsniegt opampu frekvenču diapazonu, pamatojoties uz sprieguma atgriezeniskās saites principu.

Šeit jūs varat atrast, ka induktora izmēram, svaram un izmaksām nav lielas nozīmes.

Fāzes nobīde nosaka svārstību biežumu, jo ķēde pulsē frekvencē, kas iegūst fāzes nobīdi 180 grādi. Df / dt vai ātrums, kādā fāzes nobīde mainās atkarībā no frekvences, izlemj par frekvences stabilitāti.

Kad kaskādē buferētas RC sekcijas tiek izmantotas opampu formā, piedāvājot augstas ieejas un zemas izejas pretestību, fāzes nobīde reizinās ar sekciju skaitu, n (skat. attēlu zemāk).

Neskatoties uz to, ka divās kaskādes RC sekcijās notiek 180 ° fāzes nobīde, jūs varat atrast dФ / dt kā minimālu pie oscilatora frekvences.

Rezultātā tiek piedāvāti oscilatori, kas izgatavoti, izmantojot divas kaskādes RC sekcijas nepietiekams frekvences stabilitāte.

Trīs identiskas kaskādes RC filtru sekcijas nodrošina paaugstinātu dФ / dt, ļaujot oscilatoram uzlabot frekvences stabilitāti.

Tomēr, ieviešot ceturto RC sadaļu, tiek izveidots oscilators ar izcils dФ / dt.

Tādējādi tas kļūst par ārkārtīgi stabilu oscilatora iestatīšanu.

Četras sadaļas ir vēlamais diapazons galvenokārt tāpēc, ka opamps ir pieejami četrriteņu iepakojumos.

Četru sekciju oscilators rada arī 4 sinusoidus, kas ir 45 ° fāzes nobīdīti, atsaucoties uz otru, kas nozīmē, ka šis oscilators ļauj jums iegūt sinusa / kosinusa vai kvadrāta sinusa viļņus.

Kristālu un keramisko rezonatoru izmantošana

Kristāla vai keramikas rezonatori nodrošina mums visstabilākos oscilatorus. Tas ir tāpēc, ka to nelineāro īpašību rezultātā rezonatoriem ir neticami augsts dФ / dt.

Rezonatori tiek izmantoti augstas frekvences oscilatoros, tomēr zemfrekvences oscilatori lieluma, svara un izmaksu ierobežojumu dēļ parasti nedarbojas ar rezonatoriem.

Jūs atradīsit, ka op-ampēri netiek izmantoti ar keramikas rezonatora oscilatoriem galvenokārt tāpēc, ka opampos ir samazināts joslas platums.

Pētījumi liecina, ka lētāk ir uzcelt augstas frekvences kristālu oscilatoru un apgriezt izeju, lai iegūtu zemu frekvenci, nevis iekļaut zemas frekvences rezonatoru.

Guvums oscilatoros

Oscilatora pastiprinājumam jāsakrīt viens pie svārstību frekvences. Dizains kļūst vienmērīgs, kad pastiprinājums ir lielāks par 1 un svārstības apstājas.

Tiklīdz pastiprinājums sasniedz vairāk nekā 1 kopā ar fāzes nobīdi –180 °, aktīvās ierīces nelineārā īpašība (opamp) pazemina pieaugumu līdz 1.

Kad notiek nelinearitāte, opamp svārstās netālu no (+/-) barošanas līmeņiem, jo ​​samazinās aktīvās ierīces (tranzistora) pieauguma robežvērtība vai piesātinājums.

Viena dīvaina lieta ir tā, ka slikti projektētās shēmas ražošanas laikā faktiski prasa minimālu pieaugumu, kas pārsniedz 1.

No otras puses, lielāks pieaugums noved pie lielāka izejas sinusa viļņa deformācijas apjoma.

Gadījumos, kad pieaugums ir minimāls, ārkārtīgi nelabvēlīgos apstākļos svārstības beidzas.

Ja pastiprinājums ir ļoti liels, izejas viļņa forma, šķiet, ir daudz līdzīgāka kvadrātveida vilnim, nevis sinusa vilnim.

Kropļojumi parasti ir pārāk lielas pastiprināšanas pārmērīgas piedziņas tiešas sekas.

Tāpēc, lai sasniegtu zemas deformācijas oscilatorus, piesardzība jāregulē.

Fāzes nobīdes oscilatori var parādīt traucējumus, tomēr tiem var būt iespēja sasniegt zemu izkropļojumu izejas spriegumus, izmantojot buferizētas kaskādes RC sekcijas.

Tas ir tāpēc, ka kaskādētās RC sekcijas darbojas kā deformācijas filtri. Turklāt buferētajiem fāzes nobīdes oscilatoriem ir mazs izkropļojums, jo pastiprinājums tiek pārvaldīts un vienmērīgi līdzsvarots starp buferiem.

Secinājums

No iepriekšminētās diskusijas mēs uzzinājām opamp oscilatoru darbības pamatprincipu un sapratām par pamatkritērijiem ilgstošu svārstību sasniegšanai. Nākamajā ierakstā mēs uzzināsim par Vīnes tilta oscilatori .