Op amp Osilatörler

Aktif eleman olarak bir op amp kullanan bir osilatör yapısı, op amp osilatörü olarak adlandırılır.

Bu yazıda, opamp tabanlı osilatörlerin nasıl tasarlanacağını ve kararlı bir osilatör tasarımı oluşturmak için gereken birçok kritik faktörle ilgili olarak öğreneceğiz.

Op amp tabanlı osilatörler normalde kare, testere dişi, üçgen ve sinüzoidal gibi hassas, periyodik dalga formları oluşturmak için kullanılır.

Genellikle tek bir aktif cihaz veya bir lamba veya bir kristal kullanarak çalışırlar ve çıktıyı oluşturmak için dirençler, kapasitörler ve indüktörler gibi birkaç pasif cihazla ilişkilendirilirler.

Op-amp Osilatör Kategorileri

Birkaç birincil osilatör grubu bulacaksınız: gevşeme ve sinüzoidal.

Gevşeme osilatörleri üçgen, testere dişi ve diğer noninuoidal dalga biçimlerini üretir.

Sinüzoidal osilatörler, salınım oluşturmaya alışkın ek parçalar veya yerleşik salınım jeneratörlerine sahip kristaller kullanan op-amp'leri içerir.

Sinüs dalgası osilatörleri, çok sayıda devre uygulamasında kaynak veya test dalga formları olarak kullanılır.

Saf sinüzoidal bir osilatör, yalnızca bir bireysel veya temel frekansa sahiptir: ideal olarak herhangi bir harmonik içermez.

Sonuç olarak, distorsiyon seviyesini sabitlemek için hesaplanan çıkış harmonikleri kullanılarak sinüzoidal bir dalga bir devreye girdi olabilir.

Gevşeme osilatörlerindeki dalga formları, öngörülen şekli vermek için toplanan sinüzoidal dalgalar aracılığıyla üretilir.

Osilatörler, ses, fonksiyon üreteçleri, dijital sistemler ve iletişim sistemleri gibi uygulamalarda referans olarak kullanılan tutarlı impulslar üretmek için faydalıdır.

Sinüs Osilatörleri

Sinüzoidal osilatörler, ayarlanabilir salınım frekansları içeren RC veya LC devreleri kullanan op-amp'leri veya önceden belirlenmiş bir salınım frekansına sahip kristalleri içerir.

Salınımın frekansı ve genliği, merkezi op-amp ile bağlanan pasif ve aktif parçaların seçimi ile belirlenir.

Op-amp tabanlı osilatörler, kararsız olacak şekilde oluşturulmuş devrelerdir. Zaman zaman laboratuvarda beklenmedik şekilde geliştirilen veya tasarlanan türler değil, kararsız veya salınımlı bir durumda olmaya devam etmek için kasıtlı olarak inşa edilen türler.

Op-amp osilatörleri, opampların yüksek frekanslarda düşük faz kaymasını uygulamak için gerekli bant genişliğinden yoksun olması nedeniyle frekans aralığının alt ucuna bağlanır.

Gerilim geri besleme opampları, ana, açık döngü kutupları genellikle 10 Hz kadar küçük olduğundan düşük kHz aralığı ile sınırlıdır.

Modern akım geri beslemeli opamplar, önemli ölçüde daha geniş bant genişliği ile tasarlanmıştır, ancak geri besleme kapasitansına duyarlı olduklarından, bunların osilatör devrelerinde uygulanması inanılmaz derecede zordur.

Kristal osilatörler, yüzlerce MHz aralığındaki yüksek frekanslı uygulamalarda tavsiye edilir.

Temel gereksinimler

Kanonik tip olarak da adlandırılan en temel tipte, olumsuz bir geri bildirim yöntemi kullanılır.

Bu, Şekil 1'de gösterildiği gibi salınımı başlatmak için ön koşul haline gelir. Burada, VIN'in giriş voltajı olarak sabitlendiği böyle bir yöntem için blok diyagramını görüyoruz.

Vout, A bloğundan çıktıyı belirtir.

β, toplama bağlantısına geri beslenen, geri besleme faktörü olarak da adlandırılan sinyali belirtir.

E, geri besleme faktörünün ve giriş voltajının toplamına eşdeğer hata elemanını belirtir.

Bir osilatör devresi için ortaya çıkan denklemler aşağıda görülebilir. İlk denklem, çıkış voltajını tanımlayan önemli olanıdır. Denklem 2, hata faktörünü verir.

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

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

Yukarıdaki denklemlerden E hata faktörünün ortadan kaldırılması,

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

Vout'taki elementlerin çıkarılması,

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

Yukarıdaki denklemdeki terimleri yeniden düzenlemek bize denklem # 5 aracılığıyla aşağıdaki klasik geri bildirim formülünü sağlar.

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

Osilatörler, harici bir sinyalin yardımı olmadan çalışabilir. Daha ziyade, çıkış darbesinin bir kısmı, geri ödemeli bir ağ aracılığıyla girdi olarak kullanılır.

Geri besleme kararlı bir sabit duruma ulaşamadığında bir salınım başlatılır. Bunun nedeni transfer eyleminin yerine getirilmemesidir.

Bu kararsızlık, aşağıda gösterildiği gibi denklem # 5'in paydası sıfır olduğunda meydana gelir:

1 + Aβ = 0 veya Aβ = -1.

Bir osilatör devresi tasarlarken önemli olan şey, Aβ = -1 sağlamaktır. Bu duruma Barkhausen kriteri .

Bu koşulu sağlamak için, döngü kazancı değerinin karşılık gelen 180 derecelik bir faz kayması boyunca birlikte kalması zorunlu hale gelir. Bu, denklemdeki eksi işareti ile anlaşılır.

Yukarıdaki sonuçlar, karmaşık Cebirden semboller kullanılarak aşağıda gösterildiği gibi alternatif olarak ifade edilebilir:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Olumlu bir geri besleme osilatörü tasarlarken yukarıdaki denklem şu şekilde yazılabilir:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° bu denklem # 5'teki Aβ terimini negatif yapar.

Aβ = -1 olduğunda, geri besleme çıkışı sonsuz bir voltaja doğru hareket etme eğilimindedir.

Bu, maksimum + veya - besleme seviyelerine yaklaştığında, devrelerdeki kazanç seviyesi aktif cihazlar değişir.

Bu, A'nın değerinin Aβ ≠ -1 olmasına neden olur, geri besleme sonsuz voltaj yaklaşımını yavaşlatır ve sonunda onu durdurur.

Burada, üç olasılıktan birini bulabiliriz:

1. Osilatörün kararlı hale gelmesine ve kilitlenmesine neden olan doğrusal olmayan doygunluk veya kesme.
2. Sistemi tekrar doğrusal hale gelmeden ve karşı besleme rayına yaklaşmadan önce çok uzun bir süre doymaya zorlayan ilk yük.
3. Sistem doğrusal bölgede olmaya devam eder ve karşı besleme rayına geri döner.

İkinci olasılık durumunda, genellikle yarı kare dalgalar şeklinde son derece bozulmuş salınımlar elde ederiz.

Osilatörlerde faz kayması nedir

Aβ = 1 ㄥ -180 ° denklemindeki 180 ° faz kayması, aktif ve pasif bileşenler aracılığıyla oluşturulur.

Doğru tasarlanmış herhangi bir geri besleme devresi gibi, osilatörler de pasif bileşenlerin faz kaymasına göre oluşturulur.

Bunun nedeni, pasif parçalardan elde edilen sonuçların hassas ve pratik olarak sapmasız olmasıdır. Aktif bileşenlerden elde edilen faz kayması, birçok faktörden dolayı çoğunlukla yanlıştır.

Sıcaklık değişiklikleri ile sürüklenebilir, geniş başlangıç ​​toleransı gösterebilir ve ayrıca sonuçlar cihaz özelliğine bağlı olabilir.

Op amperler, salınım frekansına minimum faz kayması getirmelerini sağlamak için seçilir.

Tek kutuplu bir RL (direnç-indüktör) veya RC (direnç-kaplayıcı) devresi, kutup başına yaklaşık 90 ° faz kayması getirir.

Salınım için 180 ° gerekli olduğundan, bir osilatör tasarlanırken minimum iki kutup kullanılır.

Bir LC devresi 2 kutba sahiptir, bu nedenle her bir kutup çifti için yaklaşık 180 ° faz kayması sağlar.

Bununla birlikte, pahalı, hacimli ve istenmeyen olabilen düşük frekanslı indüktörlerin dahil olması nedeniyle burada LC tabanlı tasarımları tartışmayacağız.

LC osilatörleri, voltaj geri besleme prensibine dayalı opampların frekans aralığının üstünde ve üstünde olabilen yüksek frekanslı uygulamalar için tasarlanmıştır.

Burada indüktör boyutunun, ağırlığının ve maliyetinin çok önemli olmadığını görebilirsiniz.

Faz kayması, devre 180 derecelik bir faz kayması getiren frekansta sinyal verdiği için salınım frekansını belirler. Df / dt veya faz kaymasının frekansla değiştiği hız, frekans kararlılığını belirler.

Basamaklı tamponlu RC bölümleri, yüksek giriş ve düşük çıkış empedansı sunan opamplar şeklinde kullanıldığında, faz kayması bölüm sayısı ile çarpılır, n (aşağıdaki şekle bakın).

İki kademeli RC bölümünün 180 ° faz kayması göstermesine rağmen, osilatör frekansında dФ / dt'nin minimum olduğunu görebilirsiniz.

Sonuç olarak, iki kademeli RC bölümü kullanılarak inşa edilen osilatörler, yetersiz Frekans Kararlılığı.

Üç özdeş kademeli RC filtre bölümü, osilatöre gelişmiş bir frekans kararlılığı sağlayan, artırılmış bir dФ / dt sağlar.

Bununla birlikte, dördüncü bir RC bölümünün tanıtılması, bir osilatör oluşturur. Muhteşem dФ / dt.

Dolayısıyla bu, son derece kararlı bir osilatör kurulumu haline gelir.

Dört bölüm tercih edilen aralıktır, çünkü opamplar dörtlü paketlerde mevcuttur.

Ayrıca, dört bölümlü osilatör, birbirine referansla 45 ° faz kaydırılmış 4 sinüs dalgası üretir, bu da bu osilatörün sinüs / kosinüs veya karesel sinüs dalgalarını elde etmenizi sağladığı anlamına gelir.

Kristalleri ve Seramik Rezonatörleri Kullanma

Kristal veya seramik rezonatörler bize en kararlı osilatörleri sağlar. Bunun nedeni, doğrusal olmayan özelliklerinin bir sonucu olarak, rezonatörlerin inanılmaz derecede yüksek bir dФ / dt ile gelmesidir.

Rezonatörler, yüksek frekanslı osilatörlerde uygulanır, ancak düşük frekanslı osilatörler genellikle boyut, ağırlık ve maliyet kısıtlamaları nedeniyle rezonatörlerle çalışmaz.

Op-amp'lerin seramik rezonatör osilatörleri ile kullanılmadığını göreceksiniz, çünkü opamplar azaltılmış bir bant genişliği içeriyor.

Çalışmalar, yüksek frekanslı bir kristal osilatör yapmanın ve düşük frekanslı bir rezonatör eklemek yerine düşük bir frekans elde etmek için çıkışı azaltmanın daha ucuz olduğunu göstermektedir.

Osilatörlerde kazanç

Bir osilatörün kazancı eşleşmelidir bir salınım frekansında. Kazanç 1'den büyük olduğunda ve salınımlar durduğunda tasarım sabitlenir.

Kazanç -180 ° 'lik bir faz kayması ile birlikte 1'in üzerine ulaştığında, aktif cihazın (opamp) doğrusal olmayan özelliği kazancı 1'e düşürür.

Doğrusal olmama meydana geldiğinde, opamp, aktif cihaz (transistör) kazancının kesilmesindeki veya doygunluğundaki azalma nedeniyle (+/-) tedarik seviyelerinin yakınında dalgalanır.

Garip bir şey, kötü tasarlanmış devrelerin aslında üretimleri sırasında 1'den fazla marjinal kazanç talep etmeleridir.

Öte yandan, daha yüksek kazanç, çıkış sinüs dalgası için daha fazla distorsiyona yol açar.

Kazancın minimum olduğu durumlarda, aşırı olumsuz koşullar altında salınımlar durur.

Kazanç çok yüksek olduğunda, çıktı dalga biçimi sinüs dalgası yerine kare dalgaya çok daha benzer görünmektedir.

Bozulma, genellikle amplifikatörü aşırı süren çok fazla kazancın ani bir sonucudur.

Bu nedenle, düşük distorsiyonlu osilatörlere ulaşmak için kazanç dikkatli bir şekilde yönetilmelidir.

Faz kaydırmalı osilatörler distorsiyonlar gösterebilir, ancak tamponlu kademeli RC bölümleri kullanarak düşük distorsiyonlu çıkış voltajları elde etme yeteneğine sahip olabilirler.

Bunun nedeni, kademeli RC bölümlerinin distorsiyon filtreleri gibi davranmasıdır. Ayrıca, tamponlu faz kaydırmalı osilatörler, kazanç yönetildiği ve tamponlar arasında tek tip olarak dengelendiği için düşük distorsiyon yaşarlar.

Sonuç

Yukarıdaki tartışmadan opamp osilatörlerinin temel çalışma prensibini öğrendik ve sürekli salınımlara ulaşmak için temel kriterleri anladık. Bir sonraki yazıda şunları öğreneceğiz Wien köprüsü osilatörleri .