Operationsverstärker-Oszillatoren

Ein Oszillator, der einen Operationsverstärker als aktives Element verwendet, wird als Operationsverstärkeroszillator bezeichnet.

In diesem Beitrag erfahren Sie, wie Sie Oszillatoren auf Opamp-Basis entwerfen und welche kritischen Faktoren für die Erstellung eines stabilen Oszillatordesigns erforderlich sind.

Oszillatoren auf Operationsverstärkerbasis werden normalerweise verwendet, um präzise, ​​periodische Wellenformen wie Quadrat, Sägezahn, Dreieck und Sinus zu erzeugen.

Im Allgemeinen arbeiten sie mit einem einzelnen aktiven Gerät oder einer Lampe oder einem Kristall und sind mit einigen passiven Geräten wie Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten verbunden, um den Ausgang zu erzeugen.

Op-Amp-Oszillator-Kategorien

Sie finden einige Hauptgruppen von Oszillatoren: Entspannung und Sinus.

Relaxationsoszillatoren erzeugen die dreieckigen, sägezahnförmigen und anderen nicht-sinoidalen Wellenformen.

Sinusoszillatoren enthalten Operationsverstärker, die zusätzliche Teile verwenden, die zur Erzeugung von Schwingungen verwendet werden, oder Kristalle mit eingebauten Schwingungsgeneratoren.

Sinusoszillatoren werden in zahlreichen Schaltungsanwendungen als Quellen oder Testwellenformen eingesetzt.

Ein reiner Sinusoszillator verfügt nur über eine Einzel- oder Grundfrequenz: idealerweise ohne Harmonische.

Infolgedessen könnte eine Sinuswelle der Eingang einer Schaltung sein, wobei berechnete Ausgangsharmonische verwendet werden, um den Verzerrungspegel festzulegen.

Die Wellenformen in Relaxationsoszillatoren werden durch Sinuswellen erzeugt, die summiert werden, um die festgelegte Form zu liefern.

Oszillatoren sind hilfreich, um konsistente Impulse zu erzeugen, die als Referenz in Anwendungen wie Audio, Funktionsgeneratoren, digitalen Systemen und Kommunikationssystemen verwendet werden.

Sinusoszillatoren

Sinusoszillatoren umfassen Operationsverstärker, die RC- oder LC-Schaltungen verwenden, die einstellbare Schwingungsfrequenzen enthalten, oder Kristalle, die eine vorbestimmte Schwingungsfrequenz besitzen.

Die Frequenz und Amplitude der Schwingung wird durch die Auswahl passiver und aktiver Teile festgelegt, die mit dem zentralen Operationsverstärker verbunden sind.

Oszillatoren auf Operationsverstärkerbasis sind Schaltkreise, die instabil sind. Nicht der Typ, der manchmal unerwartet im Labor entwickelt oder entworfen wird, sondern der Typ, der absichtlich so gebaut wurde, dass er sich weiterhin in einem instabilen oder oszillierenden Zustand befindet.

Operationsverstärkeroszillatoren sind an das untere Ende des Frequenzbereichs gebunden, da Operationsverstärker nicht über die erforderliche Bandbreite verfügen, um die niedrige Phasenverschiebung bei hohen Frequenzen zu implementieren.

Spannungsrückkopplungs-Operationsverstärker sind auf einen niedrigen kHz-Bereich beschränkt, da ihr Hauptpol im offenen Regelkreis häufig nur 10 Hz beträgt.

Die modernen Stromrückkopplungs-Operationsverstärker sind mit einer erheblich breiteren Bandbreite ausgelegt, aber diese sind in Oszillatorschaltungen unglaublich schwierig zu implementieren, da sie empfindlich auf die Rückkopplungskapazität reagieren.

Kristalloszillatoren werden für Hochfrequenzanwendungen im Bereich von Hunderten von MHz empfohlen.

Grundlegende Anforderungen

Bei dem grundlegendsten Typ, der auch als kanonischer Typ bezeichnet wird, wird eine negative Rückkopplungsmethode verwendet.

Dies wird zur Voraussetzung für das Auslösen der Schwingung, wie in Abbildung 1 gezeigt. Hier sehen wir das Blockdiagramm für ein solches Verfahren, bei dem die Fahrgestellnummer als Eingangsspannung festgelegt ist.

Vout bezeichnet die Ausgabe von Block A.

β bezeichnet das Signal, auch Rückkopplungsfaktor genannt, das dem Summierübergang zugeführt wird.

E bezeichnet das Fehlerelement, das der Summe aus Rückkopplungsfaktor und Eingangsspannung entspricht.

Die resultierenden Gleichungen für eine Oszillatorschaltung sind unten zu sehen. Die erste Gleichung ist die wichtige, die die Ausgangsspannung definiert. Gleichung 2 gibt den Fehlerfaktor an.

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

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

Das Eliminieren des Fehlerfaktors E aus den obigen Gleichungen ergibt

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

Das Extrahieren der Elemente in Vout ergibt

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

Die Reorganisation der Terme in der obigen Gleichung liefert uns die folgende klassische Rückkopplungsformel durch Gleichung # 5

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

Oszillatoren können ohne Hilfe eines externen Signals arbeiten. Vielmehr wird ein Teil des Ausgangsimpulses als Eingang über ein gebührenpflichtiges Netzwerk verwendet.

Eine Schwingung wird ausgelöst, wenn die Rückkopplung keinen stabilen stationären Zustand erreicht. Dies geschieht, weil die Übertragungsaktion nicht ausgeführt wird.

Diese Instabilität tritt auf, wenn der Nenner von Gleichung Nr. 5 Null wird, wie unten gezeigt:

1 + Aβ = 0 oder Aβ = -1.

Das Entscheidende beim Entwerfen einer Oszillatorschaltung ist, Aβ = -1 sicherzustellen. Diese Bedingung wird als bezeichnet Barkhausen-Kriterium .

Um diese Bedingung zu erfüllen, wird es wesentlich, dass der Schleifenverstärkungswert durch eine entsprechende Phasenverschiebung von 180 Grad auf Eins bleibt. Dies wird durch das negative Vorzeichen in der Gleichung verstanden.

Die obigen Ergebnisse können alternativ wie unten gezeigt unter Verwendung von Symbolen aus der komplexen Algebra ausgedrückt werden:

Aβ = 1 ≤ -180 °

Beim Entwerfen eines Oszillators mit positiver Rückkopplung kann die obige Gleichung wie folgt geschrieben werden:

Aβ = 1 ≤ 0 ° was den Term Aβ in Gleichung # 5 negativ macht.

Wenn Aβ = -1 ist, neigt der Rückkopplungsausgang dazu, sich in Richtung einer unendlichen Spannung zu bewegen.

Wenn sich dies den maximalen + oder - Versorgungspegeln nähert, ändern sich die aktiven Geräte mit Verstärkungspegel in den Schaltkreisen.

Dies bewirkt, dass der Wert von A zu Aβ ≠ -1 wird, was den Ansatz der unendlichen Rückkopplungsspannung verlangsamt und ihn schließlich zum Stillstand bringt.

Hier finden wir möglicherweise eine der drei Möglichkeiten:

1. Nichtlineare Sättigung oder Abschaltung, wodurch sich der Oszillator stabilisiert und blockiert.
2. Die anfängliche Ladung zwingt das System, für einen sehr langen Zeitraum zu sättigen, bevor es wieder linear wird und sich der gegenüberliegenden Versorgungsschiene nähert.
3. Das System befindet sich weiterhin im linearen Bereich und kehrt zur gegenüberliegenden Versorgungsschiene zurück.

Im Falle der zweiten Möglichkeit erhalten wir immens verzerrte Schwingungen, im Allgemeinen in Form von Quasi-Rechteckwellen.

Was ist Phasenverschiebung in Oszillatoren

Die 180 ° -Phasenverschiebung in der Gleichung Aβ = 1 ㄥ -180 ° wird durch die aktiven und passiven Komponenten erzeugt.

Wie jede korrekt gestaltete Rückkopplungsschaltung werden Oszillatoren basierend auf der Phasenverschiebung der passiven Komponenten aufgebaut.

Dies liegt daran, dass die Ergebnisse von passiven Teilen präzise und praktisch driftfrei sind. Die von aktiven Komponenten erfasste Phasenverschiebung ist aufgrund vieler Faktoren meist ungenau.

Es kann bei Temperaturänderungen driften, eine große Anfangstoleranz aufweisen und auch die Ergebnisse können von der Geräteeigenschaft abhängen.

Operationsverstärker werden ausgewählt, um sicherzustellen, dass sie eine minimale Phasenverschiebung zur Frequenz der Schwingung bewirken.

Eine einpolige RL- (Widerstandsinduktor) oder RC-Schaltung (Widerstandsverdampfer) bewirkt eine Phasenverschiebung von ungefähr 90 ° pro Pol.

Da für die Schwingung 180 ° erforderlich sind, werden beim Entwurf eines Oszillators mindestens zwei Pole verwendet.

Eine LC-Schaltung besitzt daher 2 Pole und liefert für jedes Polpaar eine Phasenverschiebung von etwa 180 °.

Aufgrund der Vielzahl von Niederfrequenzinduktoren, die teuer, sperrig und unerwünscht sein können, werden wir hier jedoch nicht auf LC-basierte Designs eingehen.

LC-Oszillatoren sind für Hochfrequenzanwendungen vorgesehen, die über dem Frequenzbereich von Operationsverstärkern liegen können, basierend auf dem Spannungsrückkopplungsprinzip.

Hier finden Sie möglicherweise, dass die Größe, das Gewicht und die Kosten des Induktors nicht von großer Bedeutung sind.

Die Phasenverschiebung ermittelt die Schwingungsfrequenz, da die Schaltung mit der Frequenz pulsiert, die eine Phasenverschiebung von 180 Grad erreicht. Das df / dt oder die Rate, mit der sich die Phasenverschiebung mit der Frequenz ändert, entscheidet über die Frequenzstabilität.

Wenn kaskadierte gepufferte RC-Abschnitte in Form von Operationsverstärkern verwendet werden, die eine Impedanz mit hohem und niedrigem Ausgang bieten, multipliziert sich die Phasenverschiebung mit der Anzahl der Abschnitte. n (siehe Abbildung unten).

Trotz der Tatsache, dass zwei kaskadierte RC-Abschnitte eine Phasenverschiebung von 180 ° aufweisen, kann es sein, dass dФ / dt bei der Oszillatorfrequenz minimal ist.

Als Ergebnis bieten Oszillatoren, die unter Verwendung von zwei kaskadierten RC-Abschnitten aufgebaut sind unzureichend Frequenzstabilität.

Drei identische kaskadierte RC-Filterabschnitte sorgen für ein erhöhtes dФ / dt und ermöglichen dem Oszillator eine verbesserte Frequenzstabilität.

Durch die Einführung eines vierten RC-Abschnitts wird jedoch ein Oszillator mit einem erzeugt hervorragend dФ / dt.

Daher wird dies zu einem äußerst stabilen Oszillatoraufbau.

Vier Abschnitte sind der bevorzugte Bereich, hauptsächlich weil Opamps in Quad-Paketen erhältlich sind.

Außerdem erzeugt der vierteilige Oszillator 4 Sinuswellen, die gegenübereinander um 45 ° phasenverschoben sind, was bedeutet, dass Sie mit diesem Oszillator Sinus / Cosinus- oder Quadratur-Sinuswellen erfassen können.

Verwendung von Kristallen und Keramikresonatoren

Kristall- oder Keramikresonatoren liefern uns die stabilsten Oszillatoren. Dies liegt daran, dass Resonatoren aufgrund ihrer nichtlinearen Eigenschaften ein unglaublich hohes dФ / dt aufweisen.

Resonatoren werden in Hochfrequenzoszillatoren eingesetzt. Niederfrequenzoszillatoren arbeiten jedoch aufgrund von Größen-, Gewichts- und Kostenbeschränkungen normalerweise nicht mit Resonatoren.

Sie werden feststellen, dass Operationsverstärker bei Keramikresonatoroszillatoren nicht verwendet werden, hauptsächlich weil Operationsverstärker eine reduzierte Bandbreite aufweisen.

Studien zeigen, dass es kostengünstiger ist, einen Hochfrequenz-Kristalloszillator zu konstruieren und den Ausgang zu verkleinern, um eine Niederfrequenz zu erhalten, anstatt einen Niederfrequenzresonator einzubauen.

Gewinnen Sie Oszillatoren

Die Verstärkung eines Oszillators muss übereinstimmen einer bei der Schwingungsfrequenz. Das Design wird stabil, sobald die Verstärkung größer als 1 ist und die Schwingungen aufhören.

Sobald die Verstärkung zusammen mit einer Phasenverschiebung von –180 ° über 1 liegt, verringert die nichtlineare Eigenschaft des aktiven Geräts (Opamp) die Verstärkung auf 1.

Wenn eine Nichtlinearität auftritt, schwingt der Operationsverstärker aufgrund der Verringerung der Abschaltung oder Sättigung der Verstärkung des aktiven Geräts (Transistors) in der Nähe der Versorgungspegel (+/-).

Eine seltsame Sache ist, dass die schlecht gestalteten Schaltungen während ihrer Produktion tatsächlich marginale Gewinne von mehr als 1 verlangen.

Andererseits führt eine höhere Verstärkung zu einer größeren Verzerrung der Ausgangssinuswelle.

In Fällen, in denen die Verstärkung minimal ist, hören die Schwingungen unter extrem ungünstigen Umständen auf.

Wenn die Verstärkung sehr hoch ist, scheint die Ausgangswellenform einer Rechteckwelle anstelle einer Sinuswelle viel ähnlicher zu sein.

Eine Verzerrung ist normalerweise eine unmittelbare Folge einer zu starken Verstärkung, die den Verstärker übersteuert.

Daher sollte die Verstärkung vorsichtig geregelt werden, um Oszillatoren mit geringer Verzerrung zu erzielen.

Phasenverschiebungsoszillatoren können Verzerrungen aufweisen, können jedoch unter Verwendung gepufferter kaskadierter RC-Abschnitte verzerrungsarme Ausgangsspannungen erzielen.

Dies liegt daran, dass sich kaskadierte RC-Abschnitte wie Verzerrungsfilter verhalten. Darüber hinaus erfahren gepufferte Phasenverschiebungsoszillatoren eine geringe Verzerrung, da die Verstärkung verwaltet und gleichmäßig zwischen den Puffern ausgeglichen wird.

Fazit

Aus der obigen Diskussion haben wir das grundlegende Arbeitsprinzip von Opamp-Oszillatoren gelernt und die grundlegenden Kriterien für das Erreichen anhaltender Oszillationen verstanden. Im nächsten Beitrag erfahren wir mehr darüber Wien-Brückenoszillatoren .