Un oscillatore a sfasamento è un circuito oscillatore progettato per generare un'uscita sinusoidale. Funziona con un singolo elemento attivo come un BJT o un amplificatore operazionale configurato in modalità amplificatore invertente.
La disposizione del circuito crea un feedback dall'uscita all'ingresso tramite l'utilizzo di un circuito RC (resistore / condensatore) disposto in una rete di tipo ladder. L'introduzione di questo feedback provoca uno 'spostamento' positivo nella fase dell'uscita dall'amplificatore di 180 gradi alla frequenza dell'oscillatore.
L'entità dello sfasamento creato dalla rete RC dipende dalla frequenza. Frequenze più alte dell'oscillatore creano una maggiore quantità di sfasamento.
Le seguenti spiegazioni esaurienti ci aiuteranno ad apprendere il concetto in maggiore dettaglio.
Nel messaggio precedente abbiamo appreso le considerazioni critiche richieste durante la progettazione di un oscillatore a spostamento di fase basato su amplificatori operazionali. In questo post andremo oltre e ne sapremo di più riguardo al tipi di oscillatori a spostamento di fase e come calcolare i parametri coinvolti tramite formule.
Circuito di Wien-bridge
Il diagramma riportato di seguito mostra la configurazione del circuito Wien-bridge.
Qui, possiamo interrompere il ciclo all'ingresso positivo dell'amplificatore operazionale e calcolare il segnale di ritorno utilizzando la seguente equazione 2:
quando ⍵ = 2πpf = 1 / RC , il feedback è in fase (feedback positivo), con un guadagno di 1/3 .
Pertanto le oscillazioni richiedono che il circuito operazionale abbia un guadagno di 3.
Quando R F = 2R G , il guadagno dell'amplificatore è 3 e l'oscillazione inizia af = 1 / 2πRC.
Nel nostro esperimento il circuito ha oscillato a 1,65 kHz invece di 1,59 kHz utilizzando i valori della parte indicati nella Figura 3, ma con un'apparente distorsione.
La figura seguente mostra un circuito Wien-bridge con feedback non lineare .
Possiamo vedere una lampada RL la cui resistenza del filamento è selezionata molto bassa, circa il 50% del valore della resistenza di feedback di RF, poiché la corrente della lampada è definita da RF e RL.
La relazione tra la corrente della lampada e la resistenza della lampada essendo non lineare, aiuta a mantenere le variazioni della tensione di uscita al livello minimo.
Potresti anche trovare molti circuiti che incorporano diodi invece del concetto di elemento di feedback non lineare spiegato sopra.
L'uso di un diodo aiuta a diminuire il livello di distorsione offrendo un controllo delicato della tensione di uscita.
Tuttavia, se i metodi di cui sopra non ti sono favorevoli, devi optare per i metodi AGC, che in modo identico aiuta a ottenere una distorsione ridotta.
Un comune oscillatore Wien-bridge che utilizza un circuito AGC è mostrato nella figura seguente.
Qui, campiona l'onda sinusoidale negativa tramite D1 e il campione viene memorizzato all'interno di C1.
R1 e R2 sono calcolati in modo tale da centrare il bias su Q1 per garantire che (R G + R Q1 ) è uguale a R F / 2 con la tensione di uscita prevista.
Se la tensione di uscita tende ad aumentare, la resistenza di Q1 aumenta, abbassando di conseguenza il guadagno.
Nel primo circuito dell'oscillatore a ponte Wien, l'alimentazione da 0,833 volt può essere vista applicata al pin di ingresso opamp positivo. Ciò è stato fatto per centrare la tensione di riposo in uscita a VCC / 2 = 2,5 V.
Oscillatore a spostamento di fase (un amplificatore operazionale)
Un oscillatore a spostamento di fase può anche essere costruito utilizzando un solo amplificatore operazionale come mostrato sopra.
Il pensiero convenzionale è che nei circuiti a spostamento di fase gli stadi sono isolati e si auto-governano l'uno dall'altro. Questo ci dà la seguente equazione:
Quando lo sfasamento della singola sezione è –60 °, lo sfasamento del loop è = –180 °. Questo accade quando ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC poiché la tangente 60 ° = 1,73.
Il valore di β in questo momento sembra essere (1/2)3, il che significa che il guadagno, A, deve essere con un livello di 8 affinché il guadagno di sistema sia con un livello a 1.
In questo diagramma la frequenza di oscillazione per i valori di parte indicati è risultata essere 3,76 kHz, e non come da frequenza di oscillazione calcolata di 2,76 kHz.
Inoltre, il guadagno necessario per avviare l'oscillazione è stato misurato come 26 e non come per il guadagno calcolato di 8.
Questi tipi di imprecisioni sono in una certa misura dovuti a imperfezioni dei componenti.
Tuttavia l'aspetto influenzante più significativo è dovuto alle previsioni sbagliate che le fasi RC non si influenzano mai a vicenda.
Questa configurazione a circuito operazionale singolo era abbastanza nota nei tempi in cui i componenti attivi erano ingombranti e costosi.
Al giorno d'oggi gli amplificatori operazionali sono economici e compatti e sono disponibili con quattro numeri in un unico pacchetto, quindi l'oscillatore a spostamento di fase del singolo amplificatore operazionale ha perso il suo riconoscimento.
Oscillatore a sfasamento bufferizzato
Possiamo vedere un oscillatore a spostamento di fase bufferizzato nella figura sopra, che pulsa a 2,9 kHz invece della frequenza ideale prevista di 2,76 kHz e con un guadagno di 8,33 rispetto a un guadagno ideale di 8.
I buffer impediscono alle sezioni RC di influenzarsi a vicenda, e quindi gli oscillatori a spostamento di fase bufferizzati sono in grado di operare più vicino alla frequenza e al guadagno calcolati.
Il resistore RG responsabile dell'impostazione del guadagno, carica la terza sezione RC, consentendo al 4 ° amplificatore operazionale in un amplificatore operazionale quadruplo di agire come buffer per questa sezione RC. Questo fa sì che il livello di efficienza raggiunga un valore ideale.
Possiamo estrarre un'onda sinusoidale a bassa distorsione da uno qualsiasi degli stadi dell'oscillatore a spostamento di fase, ma l'onda sinusoidale più naturale può essere derivata dall'uscita dell'ultima sezione RC.
Di solito si tratta di una giunzione a bassa corrente ad alta impedenza, pertanto è necessario utilizzare un circuito con uno stadio di ingresso ad alta impedenza per evitare il carico e le deviazioni di frequenza in risposta alle variazioni di carico.
Oscillatore in quadratura
L'oscillatore in quadratura è un'altra versione dell'oscillatore a spostamento di fase, tuttavia i tre stadi RC sono messi insieme in modo che ogni sezione sommi 90 ° di spostamento di fase.
Le uscite sono chiamate seno e coseno (quadratura) semplicemente perché esiste uno sfasamento di 90 ° tra le uscite opamp. Il guadagno del loop viene determinato tramite l'equazione 4.
Con ⍵ = 1 / RC , L'equazione 5 si semplifica in 1√ - 180 ° , portando a oscillazioni a ⍵ = 2πpf = 1 / RC.
Il circuito sperimentato pulsava a 1,65 kHz rispetto al valore calcolato di 1,59 kHz e la differenza è dovuta principalmente alle variazioni del valore della parte.
Oscillatore Bubba
L'oscillatore Bubba mostrato sopra è un'altra variante dell'oscillatore a spostamento di fase, ma gode del vantaggio del pacchetto op-amp quadruplo per produrre alcune caratteristiche distintive.
Quattro sezioni RC richiedono uno sfasamento di 45 ° per ogni sezione, il che significa che questo oscillatore è dotato di un eccezionale dΦ / dt per ridurre le deviazioni di frequenza.
Ciascuna delle sezioni RC genera uno sfasamento di 45 °. Ciò significa che abbiamo uscite da sezioni alternative che assicurano uscite in quadratura a bassa impedenza.
Ogni volta che un'uscita viene estratta da ciascun amplificatore operazionale, il circuito produce quattro onde sinusoidali sfasate di 45 °. L'equazione del ciclo può essere scritta come:
quando ⍵ = 1/RCs , le equazioni precedenti si riducono nelle seguenti equazioni 7 e 8.
Il guadagno, A, dovrebbe raggiungere il valore di 4 per avviare un'oscillazione.
Il circuito di analisi oscillava a 1,76 kHz rispetto alla frequenza ideale di 1,72 kHz mentre il guadagno sembrava essere 4,17 invece del guadagno ideale di 4.
A causa di un guadagno ridotto PER e amplificatori operazionali a bassa corrente di polarizzazione, il resistore RG responsabile del fissaggio del guadagno non carica la sezione RC finale. Ciò garantisce l'uscita in frequenza dell'oscillatore più precisa.
Onde sinusoidali a bassissima distorsione potrebbero essere acquisite dalla giunzione di R e RG.
Ogni volta che sono necessarie onde sinusoidali a bassa distorsione su tutte le uscite, il guadagno in realtà dovrebbe essere distribuito equamente tra tutti gli amplificatori operazionali.
L'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale guadagno è polarizzato a 0,5 V per creare la tensione di uscita quiescente a 2,5 V. La distribuzione del guadagno richiede la polarizzazione degli altri amplificatori operazionali, ma sicuramente non ha alcun impatto sulla frequenza di oscillazione.
Conclusioni
Nella discussione sopra abbiamo capito che gli oscillatori a spostamento di fase dell'amplificatore operazionale sono vincolati all'estremità inferiore della banda di frequenza.
Ciò è dovuto al fatto che gli amplificatori operazionali non hanno la larghezza di banda essenziale per implementare un basso sfasamento alle frequenze più alte.
L'applicazione dei moderni amplificatori operazionali a feedback di corrente nei circuiti degli oscillatori sembra difficile poiché questi sono molto sensibili alla capacità di feedback.
Gli amplificatori operazionali con feedback di tensione sono limitati a pochi 100 kHz poiché creano uno sfasamento eccessivo.
L'oscillatore Wien-bridge funziona utilizzando un piccolo numero di parti e la sua stabilità di frequenza è molto accettabile.
Tuttavia, attenuare la distorsione in un oscillatore a ponte di Vienna è meno facile che avviare il processo di oscillazione stesso.
L'oscillatore in quadratura funziona sicuramente utilizzando un paio di amplificatori operazionali, ma include una distorsione molto più elevata. Tuttavia, gli oscillatori a spostamento di fase, come l'oscillatore Bubba, mostrano una distorsione molto inferiore insieme a una discreta stabilità di frequenza.
Detto questo, la funzionalità migliorata di questo tipo di oscillatori a spostamento di fase non è economica a causa dei maggiori costi delle parti coinvolte nei vari stadi del circuito.
Siti Web correlati
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
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