Ein Phasenverschiebungsoszillator ist eine Oszillatorschaltung, die zur Erzeugung eines Sinuswellenausgangs ausgelegt ist. Es arbeitet mit einem einzelnen aktiven Element wie einem BJT oder einem Operationsverstärker, der in einem invertierenden Verstärkermodus konfiguriert ist.
Die Schaltungsanordnung erzeugt eine Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang unter Verwendung einer RC-Schaltung (Widerstand / Kondensator), die in einem Leiternetzwerk angeordnet ist. Die Einführung dieser Rückkopplung bewirkt eine positive 'Verschiebung' der Phase des Ausgangs des Verstärkers um 180 Grad bei der Oszillatorfrequenz.
Die Größe der vom RC-Netzwerk erzeugten Phasenverschiebung ist frequenzabhängig. Höhere Oszillatorfrequenzen erzeugen eine größere Phasenverschiebung.
Die folgenden umfassenden Erklärungen helfen uns, das Konzept genauer zu lernen.
In dem vorherigen Post Wir haben die kritischen Überlegungen kennengelernt, die beim Entwurf eines Phasenverschiebungsoszillators auf Operationsverstärkerbasis erforderlich sind. In diesem Beitrag werden wir weiter vorankommen und mehr über die Arten von Phasenverschiebungsoszillatoren und wie man die beteiligten Parameter durch Formeln berechnet.
Wien-Brückenschaltung
Das folgende Diagramm zeigt den Aufbau der Wien-Brückenschaltung.
Hier können wir die Schleife am positiven Eingang des Operationsverstärkers unterbrechen und das zurückkehrende Signal unter Verwendung der folgenden Gleichung 2 berechnen:
Wann ⍵ = 2πpf = 1 / RC ist die Rückkopplung in Phase (positive Rückkopplung) und hat eine Verstärkung von 1/3 .
Daher benötigen die Oszillationen für die Oszillationsschaltung eine Verstärkung von 3.
Wenn R. F. = 2R G beträgt die Verstärkerverstärkung 3 und die Oszillation beginnt bei f = 1 / 2πRC.
In unserem Experiment schwang die Schaltung mit 1,65 kHz anstelle von 1,59 kHz unter Verwendung der in 3 angegebenen Teilewerte, jedoch mit einer offensichtlichen Verzerrung.
Die nächste Abbildung unten zeigt eine Wien-Brückenschaltung mit nichtlineare Rückkopplung .
Wir können eine Lampe RL sehen, deren Filamentwiderstand sehr niedrig gewählt ist, etwa 50% des Rückkopplungswiderstandswertes von RF, da der Lampenstrom durch RF und RL definiert ist.
Die Beziehung zwischen dem Lampenstrom und dem Lampenwiderstand, die nichtlinear ist, hilft, die Schwankungen der Ausgangsspannung auf dem minimalen Niveau zu halten.
Möglicherweise finden Sie auch viele Schaltungen mit Dioden anstelle des oben erläuterten nichtlinearen Rückkopplungselementkonzepts.
Die Verwendung einer Diode verringert den Verzerrungspegel, indem eine sanfte Steuerung der Ausgangsspannung angeboten wird.
Wenn die oben genannten Methoden für Sie jedoch nicht günstig sind, müssen Sie sich für AGC-Methoden entscheiden, was ebenfalls dazu beiträgt, eine verringerte Verzerrung zu erzielen.
Ein üblicher Wien-Brückenoszillator, der eine AGC-Schaltung verwendet, ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Hier wird die negative Sinuswelle mit Hilfe von D1 abgetastet und die Probe in C1 gespeichert.
R1 und R2 werden so berechnet, dass sie die Vorspannung auf Q1 zentrieren, um sicherzustellen, dass (R. G + R. Q1 ) gleich R. F. / 2 mit der erwarteten Ausgangsspannung.
Wenn die Ausgangsspannung tendenziell höher wird, steigt der Widerstand von Q1 an, wodurch die Verstärkung verringert wird.
In der ersten Wien-Brückenoszillatorschaltung ist die 0,833-Volt-Versorgung am positiven Opamp-Eingangspin angelegt. Dies wurde durchgeführt, um die Ausgangsspannungsspannung bei VCC / 2 = 2,5 V zu zentrieren.
Phasenverschiebungsoszillator (ein Operationsverstärker)
Ein Phasenverschiebungsoszillator kann auch unter Verwendung nur eines einzelnen Operationsverstärkers konstruiert werden, wie oben gezeigt.
Das konventionelle Denken ist, dass in Phasenverschiebungsschaltungen die Stufen isoliert sind und sich selbst regieren. Dies gibt uns die folgende Gleichung:
Wenn die Phasenverschiebung des einzelnen Abschnitts –60 ° beträgt, beträgt die Schleifenphasenverschiebung = –180 °. Dies passiert, wenn ⍵ = 2πpf = 1,732 / RC da die Tangente 60 ° = 1,73.
Der Wert von β in diesem Moment ist zufällig (1/2)3Dies bedeutet, dass die Verstärkung A auf einem Pegel von 8 liegen muss, damit die Systemverstärkung auf einem Pegel von 1 liegt.
In diesem Diagramm wurde gefunden, dass die Schwingungsfrequenz für die angegebenen Teilewerte 3,76 kHz betrug und nicht gemäß der berechneten Schwingungsfrequenz von 2,76 kHz.
Darüber hinaus wurde die zum Auslösen der Schwingung erforderliche Verstärkung mit 26 und nicht gemäß der berechneten Verstärkung von 8 gemessen.
Diese Art von Ungenauigkeiten sind in gewissem Maße auf Unvollkommenheiten der Komponenten zurückzuführen.
Der wichtigste Einflussfaktor ist jedoch auf die falschen Vorhersagen zurückzuführen, dass sich die RC-Stufen niemals gegenseitig beeinflussen.
Dieses Setup mit einer einzelnen Operationsverstärkerschaltung war zu Zeiten ziemlich bekannt, als aktive Komponenten sperrig und teuer waren.
Heutzutage sind Operationsverstärker wirtschaftlich und kompakt und mit vier Nummern in einem einzigen Gehäuse erhältlich. Daher hat der Phasenverschiebungsoszillator mit einem einzelnen Operationsverstärker schließlich seine Anerkennung verloren.
Gepufferter Phasenverschiebungsoszillator
In der obigen Abbildung ist ein gepufferter Phasenverschiebungsoszillator zu sehen, der mit 2,9 kHz anstelle der erwarteten idealen Frequenz von 2,76 kHz pulsiert und eine Verstärkung von 8,33 gegenüber einer idealen Verstärkung von 8 aufweist.
Die Puffer verhindern, dass sich die RC-Abschnitte gegenseitig beeinflussen, und daher können die gepufferten Phasenverschiebungsoszillatoren näher an der berechneten Frequenz und Verstärkung arbeiten.
Der für die Verstärkungseinstellung verantwortliche Widerstand RG lädt den dritten RC-Abschnitt, so dass der 4. Operationsverstärker in einem Quad-Operationsverstärker als Puffer für diesen RC-Abschnitt fungieren kann. Dadurch erreicht der Wirkungsgrad einen idealen Wert.
Wir können eine verzerrungsarme Sinuswelle aus jeder der Phasenverschiebungsoszillatorstufen extrahieren, aber die natürlichste Sinuswelle kann aus dem Ausgang des letzten RC-Abschnitts abgeleitet werden.
Dies ist normalerweise ein hochohmiger Niedrigstromübergang, daher muss hier eine Schaltung mit einer hochohmigen Eingangsstufe verwendet werden, um Belastungen und Frequenzabweichungen als Reaktion auf Lastschwankungen zu vermeiden.
Quadraturoszillator
Der Quadraturoszillator ist eine andere Version des Phasenverschiebungsoszillators, jedoch sind die drei RC-Stufen so zusammengesetzt, dass jeder Abschnitt eine Phasenverschiebung von 90 ° ergibt.
Die Ausgänge werden einfach deshalb als Sinus und Cosinus (Quadratur) bezeichnet, weil zwischen den Opamp-Ausgängen eine Phasenverschiebung von 90 ° besteht. Die Schleifenverstärkung wird durch die Gleichung 4 bestimmt.
Mit ⍵ = 1 / RC Gleichung 5 vereinfacht sich zu 1√ - 180 ° , was zu Schwingungen bei führt ⍵ = 2πpf = 1 / RC.
Die experimentierte Schaltung pulsierte mit 1,65 kHz im Gegensatz zu dem berechneten Wert von 1,59 kHz, und die Differenz ist hauptsächlich auf Teilwertschwankungen zurückzuführen.
Bubba Oszillator
Der oben gezeigte Bubba-Oszillator ist eine weitere Variante des Phasenverschiebungsoszillators, genießt jedoch den Vorteil des Quad-Operationsverstärker-Pakets, um einige charakteristische Merkmale zu erzeugen.
Vier RC-Abschnitte erfordern eine Phasenverschiebung von 45 ° für jeden Abschnitt, was bedeutet, dass dieser Oszillator mit einem hervorragenden dΦ / dt ausgestattet ist, um Frequenzabweichungen zu reduzieren.
Jeder der RC-Abschnitte erzeugt eine Phasenverschiebung von 45 °. Das heißt, weil wir Ausgänge von alternativen Abschnitten haben, werden Quadraturausgänge mit niedriger Impedanz sichergestellt.
Immer wenn aus jedem Operationsverstärker ein Ausgang extrahiert wird, erzeugt die Schaltung vier um 45 ° phasenverschobene Sinuswellen. Die Schleifengleichung kann wie folgt geschrieben werden:
Wann ⍵ = 1 / RCs schrumpfen die obigen Gleichungen in die folgenden Gleichungen 7 und 8.
Die Verstärkung A sollte den Wert 4 erreichen, um eine Schwingung auszulösen.
Die Analyseschaltung oszillierte mit 1,76 kHz im Gegensatz zur idealen Frequenz von 1,72 kHz, während die Verstärkung 4,17 anstelle der idealen Verstärkung von 4 zu sein schien.
Aufgrund einer reduzierten Verstärkung ZU Bei Operationsverstärkern mit niedrigem Vorspannungsstrom lädt der Widerstand RG, der für die Festlegung der Verstärkung verantwortlich ist, den endgültigen RC-Abschnitt nicht. Dies garantiert die genaueste Oszillatorfrequenzausgabe.
An der Verbindung von R und RG konnten Sinuswellen mit extrem geringer Verzerrung erfasst werden.
Immer wenn verzerrungsarme Sinuswellen über alle Ausgänge benötigt werden, sollte die Verstärkung tatsächlich gleichmäßig auf alle Operationsverstärker verteilt werden.
Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkungs-Operationsverstärkers ist auf 0,5 V vorgespannt, um die ruhende Ausgangsspannung bei 2,5 V zu erzeugen. Die Verstärkungsverteilung erfordert eine Vorspannung der anderen Operationsverstärker, hat jedoch sicherlich keinen Einfluss auf die Schwingungsfrequenz.
Schlussfolgerungen
In der obigen Diskussion haben wir verstanden, dass Op-Amp-Phasenverschiebungsoszillatoren auf das untere Ende des Frequenzbandes beschränkt sind.
Dies liegt an der Tatsache, dass Operationsverstärker nicht über die erforderliche Bandbreite verfügen, um eine niedrige Phasenverschiebung bei höheren Frequenzen zu implementieren.
Die Anwendung der modernen Stromrückkopplungs-Operationsverstärker in Oszillatorschaltungen sieht schwierig aus, da diese sehr empfindlich auf die Rückkopplungskapazität reagieren.
Spannungsrückkopplungs-Operationsverstärker sind auf wenige 100 kHz beschränkt, da sie eine übermäßige Phasenverschiebung verursachen.
Der Wien-Brückenoszillator arbeitet mit einer kleinen Anzahl von Teilen und seine Frequenzstabilität ist sehr akzeptabel.
Das Verringern der Verzerrung in einem Wien-Brückenoszillator ist jedoch weniger einfach als das Einleiten des Oszillationsprozesses selbst.
Der Quadraturoszillator läuft sicherlich mit ein paar Operationsverstärkern, enthält aber eine viel höhere Verzerrung. Phasenverschiebungsoszillatoren wie der Bubba-Oszillator weisen jedoch eine viel geringere Verzerrung zusammen mit einer anständigen Frequenzstabilität auf.
Allerdings ist die verbesserte Funktionalität dieses Typs von Phasenverschiebungsoszillatoren aufgrund der höheren Kosten der beteiligten Teile über die verschiedenen Stufen der Schaltung nicht billig.
Verwandte Websites
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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