Op amp-oscillatorer

En oscillatorbyggnad med en op-förstärkare som det aktiva elementet kallas en op-amp-oscillator.

I det här inlägget lär vi oss att designa opampbaserade oscillatorer och om de många kritiska faktorer som krävs för att generera en stabil oscillatordesign.

Op-amp-baserade oscillatorer används normalt för att generera exakta, periodiska vågformer som fyrkant, sågtand, triangulär och sinusformad.

Generellt fungerar de med en enda aktiv enhet, eller en lampa eller en kristall, och associerade med några få passiva enheter som motstånd, kondensatorer och induktorer, för att generera utgången.

Op-amp Oscillatorkategorier

Du hittar ett par primära grupper av oscillatorer: avkoppling och sinusformade.

Avslappningsoscillatorer producerar de triangulära, sågtandarna och andra icke-kontinuerliga vågformer.

Sinusformade oscillatorer innehåller op-förstärkare som använder ytterligare delar som är vana vid att skapa oscillation eller kristaller som har inbyggda oscillationsgeneratorer.

Sinusvågoscillatorer används som källor eller testvågformer i många kretsapplikationer.

En ren sinusformad oscillator har endast en individuell eller grundläggande frekvens: helst utan övertoner.

Som ett resultat kan en sinusformad våg vara ingången till en krets med hjälp av beräknade utgångsharmoniker för att fixera distorsionsnivån.

Vågformerna i avslappningsoscillatorer produceras genom sinusformade vågor som summeras för att leverera den bestämda formen.

Oscillatorer är användbara för att producera konsekventa impulser som används som referens i applikationer som ljud, funktionsgeneratorer, digitala system och kommunikationssystem.

Sine Wave Oscillatorer

Sinusformade oscillatorer innefattar op-förstärkare som använder RC- eller LC-kretsar som innehåller justerbara svängningsfrekvenser eller kristaller som har en förutbestämd svängningsfrekvens.

Frekvensen och amplituden för svängningen bestäms av valet av passiva och aktiva delar anslutna till den centrala op-förstärkaren.

Op-amp-baserade oscillatorer är kretsar som skapats för att vara instabila. Inte den typ som ibland oväntat utvecklats eller utformats i laboratoriet, snarare typer som medvetet är byggda för att fortsätta vara i ett instabilt eller oscillerande tillstånd.

Op-amp-oscillatorer är bundna till den nedre änden av frekvensområdet på grund av att opamps saknar den nödvändiga bandbredden för att implementera lågfasförskjutning vid höga frekvenser.

Spänningsåterkopplings-lampor är begränsade till ett lågt kHz-område eftersom deras huvudsakliga, öppna slingpol ofta är så liten som 10 Hz.

De moderna strömåterkopplingslamporna är utformade med betydligt bredare bandbredd, men dessa är otroligt svåra att implementera i oscillatorkretsar eftersom de är känsliga för återkopplingskapacitans.

Kristalloscillatorer rekommenderas i högfrekventa applikationer inom hundratals MHz-intervall.

Grundläggande krav

I den mest grundläggande typen, även kallad kanonisk typ, används en metod för negativ återkoppling.

Detta blir en förutsättning för att initiera svängningen som visas i figur 1. Här ser vi blockschemat för en sådan metod där VIN är fixerad som ingångsspänning.

Vout betyder utsignalen från block A.

β betecknar signalen, även kallad återkopplingsfaktor, som matas tillbaka till summeringskorsningen.

E betyder felelementet ekvivalent med summan av återkopplingsfaktorn och ingångsspänningen.

De resulterande ekvationerna för en oscillatorkrets kan ses nedan. Den första ekvationen är den viktiga som definierar utspänningen. Ekvation 2 ger felfaktorn.

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

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

Att eliminera felfaktorn E från ovanstående ekvationer ger

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

Extrahera elementen i Vout ger

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

Omorganisation av termerna i ovanstående ekvation ger oss följande klassiska feedbackformel genom ekvation # 5

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

Oscillatorer kan arbeta utan hjälp av en extern signal. Snarare används en del av utgångspulsen som ingång genom ett återbetalningsnätverk.

En svängning initieras när återkopplingen inte uppnår ett stabilt steady-state. Detta händer eftersom överföringsåtgärden inte uppfylls.

Denna instabilitet uppstår när nämnaren för ekvation # 5 blir noll, som visas nedan:

1 + Ap = 0, eller Ap = -1.

Det avgörande när man utformar en oscillatorkrets är att säkerställa Aβ = -1. Detta tillstånd kallas Barkhausen-kriterium .

För att uppfylla detta villkor blir det viktigt att loopförstärkningsvärdet förblir i enhet genom en motsvarande 180 graders fasförskjutning. Detta förstås av det negativa tecknet i ekvationen.

Ovanstående resultat kan alternativt uttryckas som visas nedan med hjälp av symboler från komplex algebra:

Ap = 1 -180 °

Under utformningen av en positiv återkopplingsoscillator kan ekvationen ovan skrivas som:

Ap = 1 ~ 0 ° vilket gör termen Aβ i ekvation # 5 negativ.

När Aβ = -1 tenderar återkopplingsutgången att röra sig mot en oändlig spänning.

När detta närmar sig de maximala + eller - matningsnivåerna ändras förstärkningsaktiva enheter i kretsarna.

Detta gör att A-värdet blir Aβ ≠ -1, vilket saktar ner den oändliga spänningsmetoden för återkoppling och slutligen stoppar den.

Här kan vi hitta en av de tre möjligheterna som händer:

1. Icke-linjär mättnad eller avskärning som gör att oscillatorn stabiliseras och låses.
2. Den initiala laddningen som tvingar systemet att mättas under en mycket lång period innan det igen blir linjärt och börjar närma sig motsatt matarskenan.
3. Systemet fortsätter att vara i det linjära området och återgår mot motsatt leveransskena.

Vid den andra möjligheten får vi en enormt förvrängd svängning, i allmänhet i form av kvasi kvadratiska vågor.

Vad är fasförskjutning i oscillatorer

180 ° fasförskjutningen i ekvationen Aβ = 1 ㄥ -180 ° skapas genom de aktiva och passiva komponenterna.

Precis som alla korrekt utformade återkopplingskretsar är oscillatorer byggda baserat på fasförskjutningen av de passiva komponenterna.

Detta beror på att resultaten från passiva delar är exakta och praktiskt taget driftfria. Fasförskjutningen från aktiva komponenter är mest felaktig på grund av många faktorer.

Det kan glida med temperaturförändringar, kan visa bred initialtolerans och resultaten kan också bero på enhetens egenskaper.

Op-förstärkare väljs för att säkerställa att de åstadkommer minsta fasförskjutning till svängningsfrekvensen.

En enkelpolig RL (resistor-induktor) eller RC (resistor-caapcitor) krets ger cirka 90 ° fasförskjutning per pol.

Eftersom 180 ° är nödvändigt för oscillation används minst två poler vid utformning av en oscillator.

En LC-krets har två poler, därför ger den cirka 180 ° fasförskjutning för varje polpar.

Men vi kommer inte att diskutera LC-baserade mönster här på grund av involveringen av lågfrekventa induktorer som kan vara dyra, skrymmande och oönskade.

LC-oscillatorer är avsedda för högfrekventa applikationer, som kan vara utöver frekvensområdet för opamps baserat på spänningsåterkopplingsprincipen.

Här kan det hända att induktorns storlek, vikt och kostnad inte är mycket viktiga.

Fasförskjutning fastställer oscillationsfrekvensen eftersom kretsen pulsar vid frekvensen som ger en fasförskjutning på 180 degress. Df / dt eller hastigheten med vilken fasförskjutningen ändras med frekvens bestämmer frekvensstabilitet.

När kaskadbuffrade RC-sektioner används i form av opamps, som erbjuder höginmatning och lågutgångsimpedans, multipliceras fasförskjutningen med antalet sektioner, n (se figur nedan).

Trots att två kaskad RC-sektioner presenterar 180 ° fasförskjutning, kan det hända att d you / dt är minimal vid oscillatorfrekvensen.

Som ett resultat erbjuder oscillatorer konstruerade med två kaskad RC-sektioner otillräcklig frekvensstabilitet.

Tre identiska kaskad RC-filtersektioner ger en ökad dФ / dt, vilket möjliggör oscillatorn med en förbättrad frekvensstabilitet.

Men genom att införa en fjärde RC-sektion skapas en oscillator med en utestående dФ / dt.

Därför blir detta en extremt stabil oscillatorinstallation.

Fyra avsnitt råkar vara det föredragna intervallet, främst för att opamps finns i fyrpaket.

Dessutom producerar fyrsektionsoscillatorn 4 sinusvågor som är 45 ° fasförskjutna med avseende på varandra, vilket innebär att denna oscillator gör att du kan få tag på sinus- / cosinus- eller kvadratur-sinusvågor.

Använda kristaller och keramiska resonatorer

Kristall- eller keramikresonatorer ger oss de mest stabila oscillatorerna. Detta beror på att resonatorer har en otroligt hög dФ / dt som ett resultat av deras olinjära egenskaper.

Resonatorer används i högfrekventa oscillatorer, men lågfrekventa oscillatorer fungerar vanligtvis inte med resonatorer på grund av storlek, vikt och kostnadsbegränsningar.

Du kommer att upptäcka att op-förstärkare inte används med keramiska resonatoroscillatorer, främst för att opamps inkluderar en minskad bandbredd.

Studier visar att det är billigare att konstruera en högfrekvent kristalloscillator och trimma ner utgången för att få en låg frekvens istället för att införliva en lågfrekvent resonator.

Vinst i oscillatorer

Förstärkningen av en oscillator måste matcha ett vid svängningsfrekvensen. Designen blir stadig när förstärkningen är större än 1 och svängningarna stannar.

Så snart förstärkningen når över 1 tillsammans med en fasförskjutning på –180 °, minskar den icke linjära egenskapen hos den aktiva enheten (opamp) förstärkningen till 1.

När icke-linjäritet inträffar svänger opampen nära antingen (+/-) matningsnivåerna på grund av minskningen av avstängningen eller mättnaden av den aktiva enhetens (transistor) förstärkning.

En konstig sak är att de dåligt utformade kretsarna faktiskt kräver marginella vinster över 1 under sin produktion.

Å andra sidan leder högre förstärkning till större distorsion för utgångssinusvågen.

I de fall där vinsten är minimal upphör svängningarna under extremt ogynnsamma omständigheter.

När förstärkningen är mycket hög verkar utgångsvågformen vara mycket mer lik en fyrkantvåg istället för en sinusvåg.

Förvrängning är vanligtvis en omedelbar konsekvens av för mycket förstärkning av förstärkaren.

Därför bör vinst försiktigt styras för att uppnå oscillatorer med låg förvrängning.

Fasförskjutningsoscillatorer kan visa snedvridningar, men de kan ha förmåga att uppnå utspänningar med låg distorsion med hjälp av buffrade kaskad RC-sektioner.

Detta beror på att kaskad RC-sektioner beter sig som distorsionsfilter. Dessutom upplever buffrade fasförskjutningsoscillatorer låg distorsion eftersom förstärkningen hanteras och balanseras jämnt mellan buffertarna.

Slutsats

Från ovanstående diskussion lärde vi oss den grundläggande arbetsprincipen för opamposcillatorer och förstod oss ​​om de grundläggande kriterierna för att uppnå ihållande svängningar. I nästa inlägg lär vi oss om Wien-bridge-oscillatorer .