Oscilátory operačního zesilovače

Sestavení oscilátoru používající operační zesilovač jako aktivní prvek se nazývá operační zesilovač oscilátor.

V tomto příspěvku se učíme, jak navrhovat oscilátory založené na operačních zesilovačích, a co se týká mnoha kritických faktorů potřebných pro generování stabilního designu oscilátoru.

Oscilátory založené na operačních zesilovačích se obvykle používají ke generování přesných periodických průběhů vln, jako jsou čtvercové, pilovité, trojúhelníkové a sinusové.

Obecně pracují pro generování výstupu pomocí jediného aktivního zařízení nebo lampy nebo krystalu a jsou spojeny několika pasivními zařízeními, jako jsou rezistory, kondenzátory a induktory.

Kategorie operačních zesilovačů

Najdete několik primárních skupin oscilátorů: relaxační a sinusové.

Relaxační oscilátory vytvářejí trojúhelníkové, pilovité a jiné nesinuoidní průběhy.

Sinusové oscilátory obsahují operační zesilovače využívající další části zvyklé na vytváření oscilací nebo krystaly, které mají zabudované generátory oscilací.

Sinusové oscilátory se používají jako zdroje nebo zkušební křivky v mnoha obvodových aplikacích.

Čistý sinusový oscilátor má pouze individuální nebo základní frekvenci: v ideálním případě bez harmonických.

Výsledkem je, že sinusová vlna může být vstupem do obvodu pomocí vypočítaných výstupních harmonických pro stanovení úrovně zkreslení.

Tvary v relaxačních oscilátorech jsou vytvářeny prostřednictvím sinusových vln, které jsou sečteny, aby poskytly požadovaný tvar.

Oscilátory jsou užitečné pro vytváření konzistentních impulsů, které se používají jako reference v aplikacích, jako jsou audio, generátory funkcí, digitální systémy a komunikační systémy.

Sinusové oscilátory

Sinusové oscilátory zahrnují operační zesilovače využívající RC nebo LC obvody, které obsahují nastavitelné oscilační frekvence, nebo krystaly, které mají předem stanovenou oscilační frekvenci.

Frekvence a amplituda kmitání jsou stanoveny výběrem pasivních a aktivních částí připojených k centrálnímu operačnímu zesilovači.

Oscilátory založené na operačních zesilovačích jsou obvody vytvořené tak, aby byly nestabilní. Není to typ, který je občas neočekávaně vyvinut nebo navržen v laboratoři, spíše typy, které jsou záměrně vyráběny tak, aby byly i nadále v nestabilním nebo oscilačním stavu.

Oscilátory operačních zesilovačů jsou spojeny se spodním koncem frekvenčního rozsahu kvůli skutečnosti, že operační zesilovačům chybí potřebná šířka pásma pro implementaci nízkofázového posunu při vysokých frekvencích.

Zesilovače napětí se zpětnou vazbou jsou omezeny na rozsah nízkých kHz, protože jejich hlavní pól s otevřenou smyčkou je často tak malý jako 10 Hz.

Moderní proudové zpětnovazební zesilovače jsou navrženy s výrazně širší šířkou pásma, ale je neuvěřitelně obtížné je implementovat v obvodech oscilátoru, protože jsou citlivé na zpětnovazební kapacitu.

Krystalové oscilátory se doporučují ve vysokofrekvenčních aplikacích v rozsahu stovek MHz.

Základní požadavky

V nejzákladnějším typu, nazývaném také kanonický, se používá metoda negativní zpětné vazby.

To se stává předpokladem pro zahájení oscilace, jak je znázorněno na obrázku 1. Zde vidíme blokové schéma takové metody, kde VIN je fixní jako vstupní napětí.

Vout znamená výstup z bloku A.

β označuje signál, nazývaný také faktor zpětné vazby, který je dodáván zpět do sčítacího spojení.

E znamená chybový prvek ekvivalentní součtu faktoru zpětné vazby a vstupního napětí.

Výsledné rovnice pro obvod oscilátoru lze vidět níže. První rovnice je důležitá, která definuje výstupní napětí. Rovnice 2 udává faktor chyby.

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

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

Odstranění faktoru chyby E z výše uvedených rovnic dává

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

Extrahování prvků ve Voutu dává

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

Reorganizace termínů ve výše uvedené rovnici nám poskytuje následující klasický vzorec zpětné vazby prostřednictvím rovnice # 5

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

Oscilátory jsou schopné pracovat bez pomoci externího signálu. Místo toho se část výstupního impulzu využívá jako vstup prostřednictvím sítě zpoplatněné zpětné vazby.

Oscilace je zahájena, když zpětná vazba nedosáhne stabilního ustáleného stavu. K tomu dochází, protože přenosová akce není splněna.

K této nestabilitě dochází, když se jmenovatel rovnice # 5 stane nulovým, jak je uvedeno níže:

1 + Ap = 0 nebo Ap = -1.

Při navrhování obvodu oscilátoru je zásadní zajistit Aβ = -1. Tato podmínka se nazývá Barkhausenovo kritérium .

Pro splnění této podmínky je nezbytné, aby hodnota zisku smyčky zůstala na jednotě odpovídajícím fázovým posunem o 180 stupňů. To je chápáno záporným znaménkem v rovnici.

Výše uvedené výsledky lze alternativně vyjádřit, jak je znázorněno níže, pomocí symbolů ze složité algebry:

Ap = 1 - 180 °

Při navrhování oscilátoru s kladnou zpětnou vazbou lze výše uvedenou rovnici napsat jako:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° což činí termín Aβ v rovnici # 5 negativní.

Když Aβ = -1, výstup zpětné vazby má tendenci se pohybovat směrem k nekonečnému napětí.

Když se toto přiblíží k maximální úrovni napájení + nebo -, změní se aktivní zařízení na úrovni zisku v obvodech.

To způsobí, že se hodnota A stane Aβ ≠ -1, což zpomalí přístup zpětné vazby na nekonečné napětí a nakonec ji zastaví.

Zde můžeme najít jednu ze tří možností:

1. Nelineární nasycení nebo vypnutí způsobující stabilizaci a zablokování oscilátoru.
2. Počáteční náboj nutí systém k nasycení na mnohem delší dobu, než se opět stane lineárním a začne se přibližovat k opačné napájecí liště.
3. Systém je i nadále v lineární oblasti a obrací se k opačné napájecí liště.

V případě druhé možnosti dostaneme nesmírně zkreslené oscilace, obvykle ve formě kvazi čtvercových vln.

Co je fázový posun v oscilátorech

180 ° fázový posun v rovnici Aβ = 1 1 -180 ° je vytvořen prostřednictvím aktivní a pasivní složky.

Stejně jako každý správně navržený zpětnovazební obvod jsou oscilátory postaveny na základě fázového posunu pasivních komponent.

Je to proto, že výsledky pasivních dílů jsou přesné a prakticky bez driftu. Fázový posun získaný z aktivních komponent je většinou nepřesný kvůli mnoha faktorům.

Může se měnit s teplotními změnami, může vykazovat velkou počáteční toleranci a také výsledky mohou záviset na charakteristice zařízení.

Operační zesilovače jsou vybírány tak, aby zajistily minimální fázový posun na frekvenci oscilace.

Jednopólový obvod RL (odpor-induktor) nebo RC (odpor-kondenzátor) přináší přibližně 90 ° fázový posun na pól.

Vzhledem k tomu, že pro oscilaci je nezbytných 180 °, jsou při návrhu oscilátoru použity minimálně dva póly.

LC obvod má 2 póly, a proto poskytuje kolem 180 ° fázový posun pro každý pár pólů.

Nebudeme zde však diskutovat o konstrukcích založených na LC kvůli zapojení sady nízkofrekvenčních induktorů, které mohou být drahé, objemné a nežádoucí.

LC oscilátory jsou určeny pro vysokofrekvenční aplikace, které mohou být nad a nad frekvenčním rozsahem opamps na základě principu zpětné vazby napětí.

Zde zjistíte, že velikost, hmotnost a cena induktoru nejsou příliš důležité.

Fázový posuv zjišťuje frekvenci kmitání, protože obvod pulzuje na frekvenci, která načte fázový posun o 180 stupňů. O stabilitě frekvence rozhoduje df / dt nebo rychlost, s jakou se fázový posun mění s frekvencí.

Když se používají kaskádované RC sekce s vyrovnávací pamětí ve formě operačních zesilovačů, které nabízejí vysokou vstupní a nízkou výstupní impedanci, fázový posun se vynásobí počtem sekcí, n (viz obrázek níže).

Navzdory skutečnosti, že dvě kaskádové RC sekce představují 180 ° fázový posun, můžete zjistit, že dФ / dt je minimální na frekvenci oscilátoru.

Ve výsledku nabízejí oscilátory konstruované pomocí dvou kaskádových RC sekcí nedostačující stabilita frekvence.

Tři identické kaskádové sekce RC filtru poskytují zvýšený dФ / dt, což umožňuje oscilátoru se zvýšenou frekvenční stabilitou.

Zavedením čtvrté RC sekce však vytvoří oscilátor s vynikající dФ / dt.

Proto se z toho stává extrémně stabilní nastavení oscilátoru.

Upřednostňovaným rozsahem jsou čtyři sekce, hlavně proto, že opampy jsou k dispozici ve čtyřech balíčcích.

Čtyřsekční oscilátor také produkuje 4 sinusové vlny, které jsou navzájem posunuty o 45 ° fázově, což znamená, že tento oscilátor umožňuje zachytit sinusové / kosinové nebo kvadraturní sinusové vlny.

Použití krystalů a keramických rezonátorů

Krystalické nebo keramické rezonátory nám poskytují nejstabilnější oscilátory. Je to proto, že rezonátory přicházejí s neuvěřitelně vysokou dФ / dt v důsledku jejich nelineárních vlastností.

Rezonátory se používají ve vysokofrekvenčních oscilátorech, avšak nízkofrekvenční oscilátory obvykle nepracují s rezonátory z důvodu omezení velikosti, hmotnosti a nákladů.

Zjistíte, že operační zesilovače se u keramických rezonátorových oscilátorů nepoužívají hlavně proto, že operační zesilovače mají sníženou šířku pásma.

Studie ukazují, že je levnější zkonstruovat vysokofrekvenční krystalový oscilátor a upravit výstup tak, aby získal nízkou frekvenci namísto zabudování nízkofrekvenčního rezonátoru.

Zisk v oscilátorech

Zisk oscilátoru se musí shodovat jeden na kmitočtu oscilace. Návrh se ustálí, jakmile je zisk větší než 1 a oscilace se zastaví.

Jakmile zesílení dosáhne více než 1 spolu s fázovým posunem –180 °, nelineární vlastnost aktivního zařízení (operační zesilovač) sníží zesílení na 1.

Dojde-li k nelinearitě, operační zesilovač se houpá poblíž úrovní napájení (+/-) v důsledku snížení cut-off nebo saturace zisku aktivního zařízení (tranzistoru).

Jedna podivná věc je, že špatně navržené obvody ve skutečnosti požadují mezní zisky přesahující 1 během jejich výroby.

Na druhou stranu vyšší zisk vede k většímu zkreslení výstupní sinusové vlny.

V případech, kdy je zisk minimální, oscilace za extrémně nepříznivých okolností ustanou.

Když je zisk velmi vysoký, výstupní křivka se zdá být mnohem podobnější obdélníkové vlně místo sinusové.

Zkreslení je obvykle okamžitým důsledkem příliš velkého zisku nad zesilovačem.

Zisk by proto měl být opatrně řízen pro dosažení oscilátorů s nízkým zkreslením.

Oscilátory s fázovým posunem mohou vykazovat zkreslení, mohou však mít schopnost dosáhnout výstupního napětí s nízkým zkreslením pomocí kaskádovaných RC sekcí s vyrovnávací pamětí.

Je to proto, že kaskádové RC sekce se chovají jako zkreslovací filtry. Kromě toho mají oscilátory fázového posuvu s vyrovnávací pamětí nízké zkreslení, protože zisk je spravován a rovnoměrně vyvážen mezi vyrovnávacími pamětmi.

Závěr

Z výše uvedené diskuse jsme se naučili základní pracovní princip opampových oscilátorů a porozuměli základním kritériím pro dosažení trvalých oscilací. V dalším příspěvku se dozvíme o Vídeňské můstkové oscilátory .