Faz Kaydırma Osilatörü - Wien-Bridge, Tamponlu, Dörtlü, Bubba

Bir faz kaydırmalı osilatör, bir sinüs dalgası çıkışı oluşturmak için tasarlanmış bir osilatör devresidir. Bir BJT gibi tek bir aktif eleman veya bir ters çevirici amplifikatör modunda yapılandırılmış bir op amp ile çalışır.

Devre düzenlemesi, merdiven tipi bir ağda düzenlenmiş bir RC (direnç / kapasitör) devresi kullanarak çıkıştan girişe bir geri bildirim oluşturur. Bu geri beslemenin eklenmesi, amplifikatörden çıkan çıktı fazında osilatör frekansında 180 derece pozitif bir 'kaymaya' neden olur.

RC ağı tarafından oluşturulan faz kaymasının büyüklüğü frekansa bağlıdır. Daha yüksek osilatör frekansları, daha fazla miktarda faz kayması yaratır.

Aşağıdaki kapsamlı açıklamalar, kavramı daha ayrıntılı olarak öğrenmemize yardımcı olacaktır.

İçinde önceki yazı op-amp tabanlı bir faz kaydırma osilatörü tasarlarken gerekli olan kritik hususları öğrendik. Bu yazıda daha ileriye götüreceğiz ve faz kaydırmalı osilatör türleri ve ilgili parametrelerin formüller aracılığıyla nasıl hesaplanacağı.

Wien-köprü devresi

Aşağıda verilen şema Wien köprüsü devre kurulumunu göstermektedir.

Burada, opampın pozitif girişindeki döngüyü kırabilir ve aşağıdaki Denklem 2'yi kullanarak geri dönen sinyali hesaplayabiliriz:

Ne zaman ⍵ = 2πpf = 1 / RC , geri bildirim fazdadır (olumlu geri bildirim), 1/3 .

Bu nedenle salınımların opamp devresinin 3'lük bir kazancı olması gerekir.

Ne zaman R F = 2R G amplifikatör kazancı 3'tür ve osilasyon f = 1 / 2πRC'de başlar.

Deneyimizde devre, Şekil 3'te gösterilen parça değerleri kullanılarak 1.59 kHz yerine 1.65 kHz'de salındı, ancak belirgin bir bozulma ile.

Aşağıdaki bir sonraki şekil, bir Wien-köprü devresini göstermektedir. doğrusal olmayan geri bildirim .

Lamba akımı RF ve RL tarafından tanımlandığından, filaman direnci çok düşük seçilmiş bir lamba RL görebiliriz, RF'nin geri besleme direnç değerinin yaklaşık% 50'si.

Lamba akımı ile lamba direnci arasındaki ilişkinin doğrusal olmaması, çıkış voltajı değişimlerini minimum seviyede tutmaya yardımcı olur.

Ayrıca yukarıda açıklanan doğrusal olmayan geri besleme elemanı kavramı yerine diyot içeren birçok devre de bulabilirsiniz.

Bir diyotun kullanılması, yumuşak bir çıkış voltaj kontrolü sunarak bozulma düzeyini azaltmaya yardımcı olur.

Bununla birlikte, yukarıdaki yöntemler sizin için uygun değilse, aynı şekilde daha az distorsiyon elde etmeye yardımcı olan AGC yöntemlerine gitmelisiniz.

Aşağıdaki şekilde AGC devresi kullanan ortak bir Wien köprüsü osilatörü gösterilmektedir.

Burada, D1 aracılığıyla negatif sinüs dalgasını örnekler ve örnek C1 içinde saklanır.

R1 ve R2, Q1'deki sapmayı merkezleyecek şekilde hesaplanır ve (R G + R Q1 ) eşittir R F / 2 beklenen çıkış voltajı ile.

Çıkış voltajı yükselme eğilimindeyse, Q1'in direnci artar ve sonuç olarak kazancı düşürür.

İlk Wien köprüsü osilatör devresinde, 0.833 voltluk beslemenin pozitif opamp giriş pinine uygulandığı görülebilir. Bu, VCC / 2 = 2,5 V'ta çıkış durgun voltajını merkezileştirmek için yapıldı.

Faz kaydırmalı osilatör (bir opamp)

Bir faz kaydırmalı osilatör, yukarıda gösterildiği gibi sadece tek bir opamp kullanılarak da inşa edilebilir.

Geleneksel düşünce, faz kayması devrelerinde aşamaların izole edilmiş ve birbirinin kendi kendini yönetmesidir. Bu bize aşağıdaki denklemi verir:

Bireysel bölümün faz kayması –60 ° olduğunda, döngü faz kayması = –180 ° olur. Bu ne zaman olur ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC teğet 60 ° = 1.73 olduğundan.

Şu anda β değeri (1/2)³Bu, sistem kazancının 1 seviyesinde olması için kazanç A'nın 8 seviyesinde olması gerektiği anlamına gelir.

Bu diyagramda, belirtilen parça değerleri için salınım frekansı 3,76 kHz olarak bulundu ve hesaplanan salınım frekansı 2,76 kHz'e göre değil.

Dahası, salınımı başlatmak için gerekli kazanç, hesaplanan kazanç 8'e göre değil 26 olarak ölçüldü.

Bu tür yanlışlıklar bir dereceye kadar bileşen kusurlarından kaynaklanmaktadır.

Bununla birlikte, etkileyen en önemli husus, RC aşamalarının birbirini asla etkilemediğine dair yanlış tahminlerden kaynaklanmaktadır.

Bu tek opamp devre kurulumu, aktif bileşenlerin hacimli ve yüksek fiyatlı olduğu zamanlarda oldukça iyi biliniyordu.

Günümüzde op-amp'ler ekonomik ve kompakttır ve tek bir pakette dört numara mevcuttur, bu nedenle tek opamp faz kaydırmalı osilatör sonunda tanınmasını kaybetmiştir.

Tamponlu faz kaydırmalı osilatör

Yukarıdaki şekilde, beklenen ideal frekans olan 2,76 kHz yerine 2,9 kHz'de titreşen ve 8 ideal kazancın aksine 8,33 kazançlı bir tamponlu faz kayması osilatörü görebiliriz.

Tamponlar, RC bölümlerinin birbirini etkilemesini yasaklar ve bu nedenle, tamponlu faz kaydırmalı osilatörler, hesaplanan frekansa ve kazanca daha yakın çalışabilir.

Kazanç ayarından sorumlu direnç RG, üçüncü RC bölümünü yükler ve dörtlü bir opamptaki 4. opamp'ın bu RC bölümü için bir tampon görevi görmesine izin verir. Bu, verimlilik seviyesinin ideal bir değere ulaşmasına neden olur.

Faz kaymalı osilatör aşamalarının herhangi birinden düşük distorsiyonlu bir sinüs dalgası çıkarabiliriz, ancak en doğal sinüs dalgası son RC bölümünün çıktısından türetilebilir.

Bu genellikle yüksek empedanslı bir düşük akım bağlantısıdır, bu nedenle, yük değişikliklerine yanıt olarak yükleme ve frekans sapmalarından kaçınmak için burada yüksek empedanslı bir giriş aşamasına sahip bir devre kullanılmalıdır.

Quadrature osilatör

Kareleme osilatörü, faz kaydırmalı osilatörün başka bir versiyonudur, ancak üç RC aşaması, her bölümün 90 ° faz kaymasını ekleyeceği şekilde bir araya getirilmiştir.

Çıkışlar sinüs ve kosinüs (kareleme) olarak adlandırılır çünkü opamp çıkışları arasında 90 ° faz kayması vardır. Döngü kazancı Denklem 4 ile belirlenir.

İle ⍵ = 1 / RC Denklem 5, 1√ - 180 ° salınımlara yol açar ⍵ = 2πpf = 1 / RC.

Denenen devre, hesaplanan 1.59 kHz değerinin aksine 1.65 kHz'de attı ve fark esas olarak parça değeri değişimlerinden kaynaklanıyor.

Bubba osilatör

Yukarıda gösterilen Bubba osilatörü, faz kaydırmalı osilatörün bir başka çeşididir, ancak birkaç ayırt edici özellik üretmek için dörtlü op-amp paketinden yararlanmaktadır.

Dört RC bölümü, her bölüm için 45 ° faz kayması gerektirir; bu, bu osilatörün, frekans sapmalarını azaltmak için olağanüstü bir dΦ / dt ile geldiği anlamına gelir.

RC bölümlerinin her biri 45 ° faz kayması oluşturur. Anlamı, alternatif bölümlerden çıktılarımız olduğu için düşük empedanslı kareleme çıktıları garanti eder.

Her opamptan bir çıktı alındığında, devre dört adet 45 ° faz kaydırmalı sinüs dalgası üretir. Döngü denklemi şu şekilde yazılabilir:

Ne zaman ⍵ = 1 / RC'ler , yukarıdaki denklemler aşağıdaki Denklem 7 ve 8'e küçülür.

Kazanç, A, bir salınımı başlatmak için 4 değerine ulaşmalıdır.

Analiz devresi, ideal frekans 1,72 kHz'in aksine 1,76 kHz'de salınırken, kazanç 4 ideal kazanç yerine 4,17 olarak görünüyordu.

Azalan kazanç nedeniyle KİME ve düşük öngerilim akımı op-amp'leri, kazancı sabitlemekten sorumlu direnç RG, son RC bölümünü yüklemiyor. Bu, en doğru osilatör frekansı çıkışını garanti eder.

R ve RG birleşiminden son derece düşük distorsiyonlu sinüs dalgaları elde edilebilir.

Tüm çıktılarda düşük distorsiyonlu sinüs dalgalarına ihtiyaç duyulduğunda, kazanç aslında tüm opamplar arasında eşit olarak dağıtılmalıdır.

Kazanç op-amp'in ters çevirmeyen girişi, 2.5 V'de sakin çıkış voltajını oluşturmak için 0.5 V'ta önyargılıdır. Kazanç dağılımı, diğer opampların önyargılanmasını gerektirir, ancak salınım frekansı üzerinde kesinlikle herhangi bir etkisi yoktur.

Sonuçlar

Yukarıdaki tartışmada, Op amp faz kayması osilatörlerinin frekans bandının alt ucuyla sınırlı olduğunu anladık.

Bunun nedeni, op-amp'lerin daha yüksek frekanslarda düşük faz kayması uygulamak için gerekli bant genişliğine sahip olmamasıdır.

Osilatör devrelerinde modern akım geri besleme op-amp'lerini uygulamak zor görünüyor çünkü bunlar geri besleme kapasitansına çok duyarlı.

Gerilim geri besleme op-amp'leri, aşırı faz kayması oluşturdukları için sadece birkaç 100 kHz ile sınırlıdır.

Wien köprüsü osilatörü az sayıda parça kullanarak çalışır ve frekans kararlılığı çok kabul edilebilir.

Ancak, bir Wien köprüsü osilatöründeki bozulmayı azaltmak, osilasyon işleminin kendisini başlatmaktan daha kolaydır.

Quadrature osilatör kesinlikle birkaç op-amp kullanarak çalışır, ancak çok daha yüksek distorsiyon içerir. Bununla birlikte, Bubba osilatörü gibi faz kaydırmalı osilatörler, bazı makul frekans kararlılığı ile birlikte çok daha düşük distorsiyon sergiler.

Bunu söyledikten sonra, bu tür faz kaydırmalı osilatörlerin gelişmiş işlevselliği, devrenin çeşitli aşamalarında yer alan parçaların daha yüksek maliyetleri nedeniyle ucuza gelmez.

İlgili Web siteleri
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