Op amp osciliatoriai

Osciliatoriaus sukūrimas naudojant op amp kaip aktyvųjį elementą vadinamas op amp oscilatoriumi.

Šiame pranešime mes sužinome, kaip sukurti opampo pagrindu sukurtus osciliatorius ir apie daugelį kritinių veiksnių, reikalingų stabiliam osciliatoriaus dizainui sukurti.

Op ampiniai osciliatoriai paprastai naudojami tikslioms, periodiškoms bangų formoms, tokioms kaip kvadratas, pjūklai, trikampis ir sinusoidas, generuoti.

Paprastai išvesties generavimui jie naudoja vieną aktyvųjį įtaisą, lempą ar kristalą, susietą keletu pasyvių įtaisų, tokių kaip rezistoriai, kondensatoriai ir induktoriai.

Op-amp osciliatorių kategorijos

Rasite porą pirminių osciliatorių grupių: relaksacinių ir sinusinių.

Relaksaciniai osciliatoriai sukuria trikampę, pjūklinę ir kitas nesaugias bangų formas.

Sinusoidiniai osciliatoriai turi op-amperus, naudojant papildomas dalis, įpratusias sukurti svyravimus, arba kristalus, kuriuose yra įmontuoti virpesių generatoriai.

Sinusinės bangos osciliatoriai naudojami kaip šaltiniai arba bandomosios bangos formos daugelyje grandinių programų.

Grynas sinusoidinis osciliatorius pasižymi tik individualiu arba pagrindiniu dažniu: idealiu atveju be jokių harmonikų.

Dėl to sinusinė banga gali būti įvestis į grandinę, naudojant iškraipymo lygiui nustatyti apskaičiuotas išėjimo harmonikas.

Relaksacinių osciliatorių bangos formos gaminamos per sinusines bangas, kurios sumuojamos, kad būtų suteikta nustatyta forma.

Osciliatoriai yra naudingi kuriant pastovius impulsus, kurie naudojami kaip nuoroda tokiose programose kaip garso, funkcijų generatoriai, skaitmeninės sistemos ir ryšių sistemos.

Sinusinės bangos osciliatoriai

Sinusoidiniai osciliatoriai apima op-amperus, naudojančius RC arba LC grandines, kuriose yra reguliuojami virpesių dažniai, arba kristalus, turinčius iš anksto nustatytą virpesių dažnį.

Svyravimo dažnis ir amplitudė nustatomi pasirinkus pasyvias ir aktyvias dalis, sujungtas su centriniu op-amp.

„Op-amp“ pagrindu sukurti osciliatoriai yra grandinės, sukurtos nestabiliai. Ne tipas, kuris kartais netikėtai sukurtas ar sukurtas laboratorijoje, o tipai, kurie sąmoningai pastatyti taip, kad ir toliau būtų nestabilios ar svyruojančios.

Op-amp osciliatoriai yra susieti su apatiniu dažnių diapazono galu dėl to, kad opampams trūksta reikiamo pralaidumo, kad būtų galima įgyvendinti žemų fazių poslinkį aukštais dažniais.

Įtampos ir grįžtamojo ryšio opampai ribojami žemu kHz diapazonu, nes jų pagrindinis, atviros kilpos polius dažnai būna toks mažas kaip 10 Hz.

Šiuolaikiniai dabartinio grįžtamojo ryšio opampai yra suprojektuoti žymiai platesniu pralaidumu, tačiau juos neįtikėtinai sunku įgyvendinti osciliatorių grandinėse, nes jie jautrūs grįžtamojo ryšio talpai.

Kristaliniai osciliatoriai yra rekomenduojami aukštų dažnių programose, esant šimtams MHz.

Pagrindiniai reikalavimai

Pats paprasčiausias tipas, dar vadinamas kanoniniu tipu, naudojamas neigiamo grįžtamojo ryšio metodas.

Tai tampa būtina sąlyga inicijuoti svyravimą, kaip parodyta 1 paveiksle. Čia mes matome tokio metodo, kuriame VIN yra fiksuota kaip įėjimo įtampa, blokinę schemą.

„Vout“ reiškia A bloko išvestį.

β žymi signalą, dar vadinamą grįžtamojo ryšio koeficientu, kuris tiekiamas atgal į sumuojančią jungtį.

E reiškia klaidos elementą, lygiavertį grįžtamojo ryšio koeficiento ir įėjimo įtampos sumai.

Gautas osciliatoriaus grandinės lygtis galima pamatyti žemiau. Pirmoji lygtis yra svarbi, apibrėžianti išėjimo įtampą. 2 lygtis pateikia klaidos koeficientą.

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

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

Pašalinus klaidos faktorių E iš aukščiau pateiktų lygčių, gaunama

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

Išskyrus „Vout“ elementus, gaunama

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

Pertvarkius pirmiau pateiktoje lygtyje pateiktus terminus, pateikiama tokia klasikinė grįžtamojo ryšio formulė per 5 lygtį

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

Osciliatoriai sugeba dirbti be išorinio signalo pagalbos. Atvirkščiai, išvesties impulso dalis naudojama kaip įvestis per atlyginamą tinklą.

Svyravimas pradedamas, kai grįžtamuoju ryšiu nepavyksta pasiekti stabilios pastovios būsenos. Taip atsitinka todėl, kad perdavimo veiksmas neįvykdomas.

Šis nestabilumas atsiranda, kai # 5 lygties vardiklis tampa nulis, kaip parodyta žemiau:

1 + Aβ = 0 arba Aβ = -1.

Svarbiausias dalykas projektuojant osciliatoriaus grandinę yra užtikrinti Aβ = -1. Ši būklė vadinama Barkhauzeno kriterijus .

Norint patenkinti šią sąlygą, būtina, kad kilpos padidėjimo vertė išliktų vieninga per atitinkamą 180 laipsnių fazės poslinkį. Tai supranta neigiamas lygties ženklas.

Minėtus rezultatus galima alternatyviai išreikšti, kaip parodyta žemiau, naudojant sudėtingos algebros simbolius:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Kuriant teigiamo grįžtamojo ryšio osciliatorių, aukščiau pateiktą lygtį galima parašyti taip:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° dėl ko terminas Aβ lygtyje # 5 yra neigiamas.

Kai Aβ = -1, grįžtamojo ryšio išėjimas linkęs judėti begalinės įtampos link.

Kai tai artėja prie maksimalaus tiekimo + arba - lygio, grandinėse aktyvūs įtaisai keičiasi.

Dėl to A vertė tampa Aβ ≠ -1, sulėtindama grįžtamojo ryšio begalinės įtampos metodą, galiausiai ją sustabdydama.

Čia. Galime rasti vieną iš trijų galimybių:

1. Netiesinis prisotinimas arba pertraukimas, dėl kurio osciliatorius stabilizuojasi ir užsifiksuoja.
2. Pradinis krūvis, priverčiantis sistemą prisotinti ilgą laiką, kol ji vėl taps linijinė ir pradės artėti prie priešingo tiekimo bėgio.
3. Sistema ir toliau yra tiesiniame regione ir grįžta į priešingą tiekimo bėgį.

Antrosios galimybės atveju gauname nepaprastai iškraipytus svyravimus, paprastai kvaziakvadratinių bangų pavidalu.

Kas yra fazės poslinkis osciliatoriuose

180 ° fazės poslinkis lygtyje Aβ = 1 ㄥ -180 ° sukuriamas per aktyviuosius ir pasyviuosius komponentus.

Kaip ir bet kuri teisingai suprojektuota grįžtamojo ryšio grandinė, taip ir osciliatoriai gaminami remiantis pasyviųjų komponentų fazių poslinkiu.

Taip yra todėl, kad pasyviųjų dalių rezultatai yra tikslūs ir praktiškai be dreifų. Fazės poslinkis, gautas iš aktyvių komponentų, dažniausiai yra netikslus dėl daugelio veiksnių.

Jis gali slinkti keičiantis temperatūrai, gali parodyti didelę pradinę toleranciją, o rezultatai taip pat gali priklausyti nuo prietaiso charakteristikų.

Op amperai parenkami siekiant užtikrinti, kad jie pasiektų minimalų fazės poslinkį iki svyravimo dažnio.

Vieno poliaus RL (rezistoriaus-induktoriaus) arba RC (rezistoriaus-kondensatoriaus) grandinė vienam poliui sukelia maždaug 90 ° fazės poslinkį.

Kadangi svyravimui būtinas 180 ° kampas, projektuojant osciliatorių, naudojami mažiausiai du poliai.

LC grandinėje yra 2 poliai, todėl kiekvienai polių porai ji suteikia maždaug 180 ° fazės poslinkį.

Tačiau čia nediskutuosime apie LC modelius dėl žemo dažnio induktorių, kurie gali būti brangūs, dideli ir nepageidaujami, įtraukimo.

LC osciliatoriai yra skirti aukšto dažnio programoms, kurios pagal įtampos grįžtamojo ryšio principą gali viršyti opampų dažnių diapazoną.

Čia galite pastebėti, kad induktoriaus dydis, svoris ir kaina nėra labai svarbūs.

Fazės poslinkis nustato virpesių dažnį, nes grandinė pulsuoja tokiu dažniu, kuris gauna fazės poslinkį 180 laipsnių. Df / dt arba greitis, kuriuo fazės poslinkis kinta priklausomai nuo dažnio, lemia dažnio stabilumą.

Kai kaskadinės buferinės RC sekcijos naudojamos opampų pavidalu, siūlant didelę ir mažą išėjimo impedanciją, fazių poslinkis padauginamas iš sekcijų skaičiaus, n (žr. paveikslą žemiau).

Nepaisant to, kad dviejose kaskadinėse RC sekcijose vyksta 180 ° fazių poslinkis, galite rasti, kad dФ / dt yra minimalus esant osciliatoriaus dažniui.

Todėl siūlomi osciliatoriai, pagaminti naudojant dvi kaskadines RC sekcijas neadekvatus dažnio stabilumas.

Trys vienodi kaskadiniai RC filtro skyriai suteikia padidintą dФ / dt, o tai suteikia osciliatoriui didesnį dažnio stabilumą.

Tačiau įvedus ketvirtą RC skyrių sukuriamas osciliatorius su išskirtinis dФ / dt.

Taigi tai tampa ypač stabilia osciliatoriaus sąranka.

Keturios sekcijos dažniausiai yra pageidaujamos, daugiausia dėl to, kad „Opamps“ yra keturių pakuočių.

Be to, keturių sekcijų osciliatorius sukuria 4 sinusines bangas, kurios yra 45 ° fazės pasislinkusios viena kitos atžvilgiu, o tai reiškia, kad šis osciliatorius leidžia jums sulaikyti sinusines / kosinusines ar kvadratines sinusines bangas.

Kristalų ir keraminių rezonatorių naudojimas

Krištoliniai arba keraminiai rezonatoriai suteikia mums stabiliausius osciliatorius. Taip yra dėl to, kad dėl netiesinių savybių rezonatoriai pasižymi nepaprastai dideliu dФ / dt.

Rezonatoriai naudojami aukšto dažnio osciliatoriuose, tačiau žemo dažnio osciliatoriai dažniausiai neveikia su rezonatoriais dėl dydžio, svorio ir išlaidų apribojimų.

Pastebėsite, kad op-amperai nėra naudojami su keramikos rezonatorių osciliatoriais daugiausia dėl to, kad opampuose yra sumažintas pralaidumas.

Tyrimai rodo, kad pigiau yra sukonstruoti aukšto dažnio kristalinį osciliatorių ir nukirpti išvestį, kad įgytumėte žemą dažnį, užuot įdėję žemo dažnio rezonatorių.

Pelnas osciliatoriuose

Osciliatoriaus stiprinimas turi atitikti vienas esant virpesių dažniui. Dizainas tampa pastovus, kai padidėjimas yra didesnis nei 1 ir virpesiai sustoja.

Kai tik padidėjimas pasiekia daugiau kaip 1 kartu su fazės poslinkiu –180 °, nelinijinė aktyviojo prietaiso (opampo) savybė sumažina padidėjimą iki 1.

Kai atsiranda nelinijiškumas, opampas svyruoja šalia (+/-) tiekimo lygių dėl sumažėjusio aktyviojo įrenginio (tranzistoriaus) padidėjimo ribinės vertės arba prisotinimo.

Keistas dalykas yra tas, kad blogai suprojektuotos grandinės gamindamos iš tikrųjų reikalauja ribinio pelno, viršijančio 1.

Kita vertus, didesnis padidėjimas lemia didesnį išėjimo sinusinės bangos iškraipymų kiekį.

Tais atvejais, kai pelnas yra minimalus, virpesiai nutrūksta esant ypatingai nepalankioms aplinkybėms.

Kai padidėjimas yra labai didelis, išvesties bangos forma atrodo daug panašesnė į kvadratinę, o ne sinusinę.

Iškraipymas paprastai yra tiesioginė per didelio stiprinimo variklio stiprintuvo pasekmė.

Todėl, norint pasiekti mažo iškraipymo osciliatorius, reikia atsargiai valdyti padidėjimą.

Fazės poslinkio osciliatoriai gali parodyti iškraipymus, tačiau jie gali turėti galimybę pasiekti mažo iškraipymo išėjimo įtampą naudojant buferines kaskadines RC sekcijas.

Taip yra todėl, kad kaskadinės RC sekcijos elgiasi kaip iškraipymų filtrai. Be to, buferiniai fazės poslinkio osciliatoriai patiria mažai iškraipymų, nes padidėjimas yra valdomas ir tolygiai subalansuotas tarp buferių.

Išvada

Iš pirmiau pateiktos diskusijos mes sužinojome pagrindinį opamp osciliatorių darbo principą ir supratome apie pagrindinius ilgalaikių svyravimų kriterijus. Kitame įraše sužinosime Vienos tilto osciliatoriai .