Оп амп осцилатори

Осцилаторна конструкција која користи опционо појачало као активни елемент назива се опцијски осцилатор оп.

У овом посту ћемо научити како дизајнирати осцилаторе засноване на опамп-у, као и многе критичне факторе потребне за стварање стабилног дизајна осцилатора.

Осцилатори засновани на опционим појачалима обично се користе за генерисање прецизних, периодичних таласних облика попут квадратних, тестерастих, троугластих и синусоидних.

Генерално, они раде помоћу једног активног уређаја, или лампе или кристала, а повезани су са неколико пасивних уређаја попут отпорника, кондензатора и пригушница, да би произвели излаз.

Оп-амп осцилатор категорије

Наћи ћете неколико примарних група осцилатора: опуштајући и синусоидни.

Осцилатори релаксације производе троугласте, тестересте и друге несинуоидне таласне облике.

Синусоидални осцилатори укључују оп-појачала која користе додатне делове навикнуте да стварају осцилације или кристале који имају уграђене генераторе осцилација.

Осцилатори синусног таласа користе се као извори или испитни таласни облици у бројним апликацијама кола.

Чисти синусни осцилатор има само појединачну или основну фреквенцију: идеално без икаквих хармоника.

Као резултат, синусоидни талас би могао бити улаз у коло, користећи прорачунате излазне хармонике да поправи ниво изобличења.

Таласни облици у релаксационим осцилаторима производе се кроз синусоидне таласе који се сабирају да би се добио прописани облик.

Осцилатори су корисни за стварање конзистентних импулса који се користе као референца у апликацијама попут звука, генератора функција, дигиталних система и комуникационих система.

Осцилатори синусног таласа

Синусоидни осцилатори се састоје од оп-појачала која користе РЦ или ЛЦ кола која садрже подесиве фреквенције осциловања или кристале који поседују унапред одређену фреквенцију осциловања.

Учесталост и амплитуда осцилација утврђују се избором пасивних и активних делова повезаних са централним опционим појачалом.

Осцилатори засновани на оп-амп су кругови створени да буду нестабилни. Не тип који је понекад неочекивано развијен или дизајниран у лабораторији, већ тип који је намерно направљен да би и даље био у нестабилном или осцилаторном стању.

Оп-амп осцилатори су везани за доњи крај фреквенцијског опсега због чињенице да опамповима недостаје пропусни опсег за примену ниског фазног померања на високим фреквенцијама.

Опампери са повратним напоном су ограничени на опсег ниских кХз, јер је њихов главни пол отворене петље често само 10 Хз.

Модерни опампери са повратном струјом су дизајнирани са знатно ширим пропусним опсегом, али их је невероватно тешко применити у осцилаторним круговима јер су осетљиви на повратни капацитет.

Кристални осцилатори се препоручују у високофреквентним апликацијама у опсегу од стотина МХз.

Основни захтеви

У најосновнијем типу, који се назива и канонским, користи се метода негативне повратне спреге.

То постаје предуслов за покретање осцилације као што је приказано на слици 1. Овде видимо блок дијаграм такве методе у којој је ВИН фиксиран као улазни напон.

Воут означава излаз из блока А.

β означава сигнал, који се назива и фактор повратне спреге, који се враћа назад на збирни спој.

Е означава елемент грешке еквивалентан збиру фактора повратне спреге и улазног напона.

Добијене једначине за осцилаторно коло могу се видети у наставку. Прва једначина је важна која дефинише излазни напон. Једначина 2 даје фактор грешке.

Воут = Е к А ------------------------------ (1)

Е = Вин + βВоут --------------------------(два)

Елиминисање фактора грешке Е из горњих једначина даје

Воут / А = Вин - βВоут ----------------- (3)

Издвајање елемената у Воут-у даје

Вин = Воут (1 / А + β) --------------------- (4)

Реорганизација појмова у горњој једначини пружа нам следећу класичну формулу повратних информација путем једначине # 5

Воут / Вин = А / (1 + Аβ) ---------------- (5)

Осцилатори су способни да раде без помоћи спољног сигнала. Уместо тога, део излазног импулса користи се као улаз кроз мрежу уз наплату.

Осцилација се покреће када повратна спрега не успе да постигне стабилно стабилно стање. То се дешава јер се радња преноса не испуни.

Ова нестабилност се јавља када називник једначине # 5 постане нула, као што је приказано доле:

1 + Аβ = 0, или Аβ = -1.

Кључна ствар приликом дизајнирања осцилаторног кола је осигурати Аβ = -1. Ово стање се назива Баркхаусенов критеријум .

Да би се испунио овај услов, постаје неопходно да вредност појачања петље остане на јединици кроз одговарајући фазни помак од 180 степени. То се подразумијева под негативним предзнаком у једначини.

Горе наведени резултати могу се алтернативно изразити као што је приказано доле помоћу симбола из сложене алгебре:

Аβ = 1 ㄥ -180 °

Приликом дизајнирања осцилатора позитивних повратних информација горња једначина може се написати као:

Аβ = 1 ㄥ 0 ° што појам Аβ у једначини 5 чини негативним.

Када је Ап = -1, излаз повратне спреге тежи ка бесконачном напону.

Када се ово приближи максималним нивоима напајања + или -, активни уређаји нивоа појачања у круговима се мењају.

То доводи до тога да вредност А постаје Аβ = -1, успоравајући приступ бесконачног напона повратне спреге, на крају заустављајући га.

Овде се може наћи једна од три могућности:

1. Нелинеарно засићење или одсецање узрокује стабилизацију и закључавање осцилатора.
2. Почетно пуњење присиљава систем да се засити на много дужи период пре него што поново постане линеарно и почне да се приближава супротној шини за напајање.
3. Систем је и даље у линеарном региону и враћа се према супротној шини за напајање.

У случају друге могућности, добијамо неизмерно искривљене осцилације, углавном у облику квази квадратних таласа.

Шта је фазни помак у осцилаторима

Фазни помак од 180 ° у једначини Аβ = 1 ㄥ -180 ° ствара се кроз активну и пасивну компоненту.

Као и било које правилно дизајнирано коло повратне спреге, и осцилатори се граде на основу фазног помака пасивних компонената.

То је зато што су резултати пасивних делова прецизни и практично без померања. Фазни помак стечен из активних компоненти углавном је непрецизан због многих фактора.

Може се померати са температурним променама, може показивати широку почетну толеранцију, а такође резултати могу зависити од карактеристика уређаја.

Опцијска појачала се бирају како би се осигурало да доведу до минималног фазног помака на фреквенцију осцилације.

Једнополни РЛ (отпорник-индуктор) или РЦ (отпорник-каапцитор) круг доноси око 90 ° фазног помака по полу.

С обзиром да је за осциловање потребно 180 °, током пројектовања осцилатора користе се најмање два пола.

ЛЦ круг има 2 пола, стога обезбеђује фазни помак од око 180 ° за сваки пар полова.

Међутим, овде нећемо расправљати о дизајну заснованим на ЛЦ због мреже нискофреквентних индуктора који могу бити скупи, гломазни и непожељни.

ЛЦ осцилатори су намењени високофреквентним апликацијама које могу бити веће од фреквенцијског опсега опампа на основу принципа повратне спреге напона.

Овде можете пронаћи да величина, тежина и цена индуктора нису од велике важности.

Фазни помак утврђује учесталост осцилација, јер коло импулсира на фреквенцији која постиже фазни помак од 180 степени. Дф / дт или брзина којом се фазни помак мења са фреквенцијом одлучује о стабилности фреквенције.

Када се каскадно пуферисани РЦ одељци користе у облику опампера, који нуде високу улазну и малу излазну импедансу, фазни помак се помножи са бројем секција, н (види слику испод).

Упркос чињеници да две каскадне РЦ секције представљају фазни помак од 180 °, можда ћете утврдити да је дФ / дт минималан на фреквенцији осцилатора.

Као резултат, нуде се осцилатори конструисани помоћу две каскадне РЦ секције неадекватан стабилност фреквенције.

Три идентична каскадна РЦ филтрирна дела пружају повећани дФ / дт, омогућавајући осцилатору побољшану стабилност фреквенције.

Међутим, увођењем четвртог РЦ одељка ствара се осцилатор са изванредан дФ / дт.

Стога ово постаје изузетно стабилна поставка осцилатора.

Четири одељка су преферирани опсег, углавном зато што су опампи доступни у четвороструким пакетима.

Такође, четворосекцијски осцилатор производи 4 синусна таласа који су у фази померени за 45 ° у односу један на другог, што значи да овај осцилатор омогућава да задржите синусни / косинусни или квадратурни синусни талас.

Коришћење кристала и керамичких резонатора

Кристални или керамички резонатори пружају нам најстабилније осцилаторе. То је зато што резонатори долазе са невероватно високим ДФ / дт као резултат њихових нелинеарних својстава.

Ресонатори се примењују у високофреквентним осцилаторима, међутим, нискофреквентни осцилатори обично не раде са резонаторима због ограничења величине, тежине и трошкова.

Открићете да се оп-појачала не користе са керамичким резонаторским осцилаторима углавном зато што опампи укључују смањену пропусну ширину.

Студије показују да је јефтиније конструисати високофреквентни кристални осцилатор и смањити излаз да би се добила ниска фреквенција уместо да се угради нискофреквентни резонатор.

Добитак у осцилаторима

Појачање осцилатора мора се подударати један на фреквенцији осциловања. Дизајн постаје стабилан када је појачање веће од 1 и осцилације се зауставе.

Чим појачање достигне преко 1 заједно са фазним помаком од –180 °, нелинеарно својство активног уређаја (опамп) спушта појачање на 1.

Када се догоди нелинеарност, опамп се љуља близу било ког (+/-) нивоа напајања због смањења граничне вредности или засићења појачања активног уређаја (транзистора).

Једна чудна ствар је да лоше дизајнирани кругови заправо захтевају граничне добитке веће од 1 током њихове производње.

С друге стране, веће појачање доводи до веће количине изобличења за излазни синусни талас.

У случајевима када је добитак минималан, осцилације престају под екстремно неповољним околностима.

Када је појачање врло велико, чини се да је излазни талас много сличнији квадратном таласу уместо синусном.

Изобличења су обично непосредна последица превише појачања прекомерног погона појачала.

Због тога треба опрезно управљати појачавањем ради постизања осцилатора са малим изобличењем.

Осцилатори са фазним помаком могу показивати изобличења, међутим могу имати способност постизања излазних напона са малим изобличењима помоћу баферних каскадних РЦ секција.

То је зато што се каскадни РЦ одељци понашају као филтери за изобличење. Даље, баферисани осцилатори са фазним помаком имају мала изобличења, јер се појачањем управља и равномерно балансира између бафера.

Закључак

Из горње дискусије научили смо основни принцип рада опамп осцилатора и разумели основне принципе за постизање трајних осцилација. У следећем посту ћемо сазнати више о томе Осцилатори Виен-бридге .