Операционни усилватели

Изграждане на осцилатор, използващо операционен усилвател като активен елемент, се нарича генератор на усилвател.

В тази публикация научаваме как да проектираме осцилатори, базирани на opamp, и относно многото критични фактори, необходими за генерирането на стабилен дизайн на осцилатора.

Осцилаторите, базирани на операционни усилватели, обикновено се използват за генериране на точни, периодични форми на вълни като квадратни, трионни, триъгълни и синусоидални.

Обикновено те работят с едно активно устройство, или лампа, или кристал и свързани с няколко пасивни устройства като резистори, кондензатори и индуктори, за да генерират изхода.

Категории осцилатори на Op-amp

Ще откриете няколко основни групи осцилатори: релаксационни и синусоидални.

Релаксационните осцилатори произвеждат триъгълни, трионни и други несинуоидни форми на вълната.

Синусоидалните осцилатори включват операционни усилватели, използващи допълнителни части, свикнали да създават трептене, или кристали, които имат вградени генератори на трептения.

Синусоидалните осцилатори се използват като източници или тестови форми на вълната в многобройни схеми.

Чисто синусоидален осцилатор се отличава само с индивидуална или основна честота: в идеалния случай без никакви хармоници.

В резултат на това синусоидална вълна може да бъде вход към верига, използвайки изчислени изходни хармоници, за да фиксира нивото на изкривяване.

Формите на вълните в релаксационните осцилатори се произвеждат чрез синусоидални вълни, които се сумират, за да дадат определената форма.

Осцилаторите са полезни за генериране на последователни импулси, които се използват като справка в приложения като аудио, генератори на функции, цифрови системи и комуникационни системи.

Синусоидални осцилатори

Синусоидалните осцилатори включват операционни усилватели, използващи RC или LC вериги, които съдържат регулируеми честоти на трептене, или кристали, които притежават предварително определена честота на трептене.

Честотата и амплитудата на трептенията се установяват чрез избора на пасивни и активни части, свързани с централния операционен усилвател.

Осцилаторите, базирани на Op-amp, са схеми, създадени да бъдат нестабилни. Не типът, който понякога е неочаквано разработен или проектиран в лабораторията, а по-скоро типове, които са умишлено изградени, за да продължат да бъдат в нестабилно или трептящо състояние.

Op-amp осцилаторите са свързани с долния край на честотния диапазон, поради факта, че на opamps липсва необходимата честотна лента за реализиране на ниско фазово изместване при високи честоти.

Омпарите с обратна връзка по напрежение са ограничени до обхват от ниски kHz, тъй като техният основен полюс с отворен контур често е толкова малък, колкото 10 Hz.

Съвременните усилватели с обратна връзка по ток са проектирани със значително по-широка честотна лента, но те са изключително трудни за прилагане в схемите на осцилатора, тъй като са чувствителни към капацитета на обратната връзка.

Кристалните осцилатори се препоръчват във високочестотни приложения в диапазона от стотици MHz обхват.

Основни изисквания

В най-основния тип, наричан още каноничен тип, се използва метод на отрицателна обратна връзка.

Това се превръща в предпоставка за иницииране на трептене, както е показано на фигура 1. Тук виждаме блок-схемата за такъв метод, при който VIN е фиксиран като входно напрежение.

Vout означава изхода от блок А.

β означава сигнала, наричан още фактор за обратна връзка, който се подава обратно към сумиращото кръстовище.

Е означава елемент на грешка, еквивалентен на сумата от фактора на обратната връзка и входното напрежение.

Получените уравнения за осцилаторна верига могат да се видят по-долу. Първото уравнение е важното, което определя изходното напрежение. Уравнение 2 дава коефициента на грешка.

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

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

Елиминирането на фактора на грешка E от горните уравнения дава

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

Извличането на елементите във Vout дава

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

Реорганизирането на термините в горното уравнение ни предоставя следната класическа формула за обратна връзка чрез уравнение №5

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

Осцилаторите могат да работят без помощта на външен сигнал. По-скоро част от изходния импулс се използва като вход чрез мрежа за отстъпка.

Инициира се трептене, когато обратната връзка не успее да постигне стабилно стабилно състояние. Това се случва, защото прехвърлящото действие не се изпълнява.

Тази нестабилност възниква, когато знаменателят на уравнение # 5 стане нула, както е показано по-долу:

1 + Ар = 0, или Ар = -1.

Най-важното при проектирането на осцилаторна верига е да се осигури Aβ = -1. Това състояние се нарича Критерий на Баркхаузен .

За да се изпълни това условие, става от съществено значение стойността на усилването на контура да остане на единица чрез съответно 180 градусово фазово изместване. Това се разбира от отрицателния знак в уравнението.

Горните резултати могат да бъдат изразени алтернативно, както е показано по-долу, като се използват символи от сложна алгебра:

Ар = 1 ㄥ -180 °

При проектирането на осцилатор с положителна обратна връзка горното уравнение може да бъде записано като:

Ар = 1 ㄥ 0 ° което прави термина Aβ в уравнение # 5 отрицателен.

Когато Aβ = -1, изходът за обратна връзка има тенденция да се движи към безкрайно напрежение.

Когато това се доближи до максималните нива на захранване + или -, активните устройства на нивото на усилване във веригите се променят.

Това кара стойността на A да се превърне в Aβ ≠ -1, забавяйки подхода за безкрайно напрежение на обратната връзка, като в крайна сметка го спира.

Тук можем да открием една от трите възможности:

1. Нелинейно насищане или прекъсване, което кара осцилатора да се стабилизира и заключи.
2. Първоначалното зареждане, принуждаващо системата да се насити за много дълъг период, преди тя отново да стане линейна и да започне да се приближава към противоположната захранваща шина.
3. Системата продължава да бъде в линейната област и се връща към противоположната захранваща релса.

В случай на втората възможност получаваме изключително изкривени трептения, обикновено под формата на квази квадратни вълни.

Какво е фазово изместване в осцилаторите

Фазовото изместване на 180 ° в уравнението Aβ = 1 ㄥ -180 ° се създава чрез активните и пасивните компоненти.

Подобно на всяка правилно проектирана схема за обратна връзка, осцилаторите са изградени въз основа на фазовото изместване на пасивните компоненти.

Това е така, защото резултатите от пасивните части са прецизни и практически без дрейф. Фазовото изместване, получено от активни компоненти, е предимно неточно поради много фактори.

Той може да се отклони с температурни промени, може да покаже широк първоначален толеранс, а също така резултатите могат да зависят от характеристиките на устройството.

Операционните усилватели се избират, за да се гарантира, че те водят до минимално изместване на фазата към честотата на трептене.

Еднополюсна RL (резистор-индуктор) или RC (резистор-каапцитор) верига носи около 90 ° фазово изместване на полюс.

Тъй като за трептене са необходими 180 °, при проектирането на осцилатор се използват минимум два полюса.

LC веригата притежава 2 полюса, следователно осигурява около 180 ° фазово изместване за всяка двойка полюси.

Тук обаче няма да обсъждаме проекти, базирани на LC, поради включването на мрежа от нискочестотни индуктори, които могат да бъдат скъпи, обемисти и нежелани.

LC осцилаторите са предназначени за високочестотни приложения, които могат да бъдат над и над честотния диапазон на opamps въз основа на принципа на обратна връзка по напрежение.

Тук може да откриете, че размерът, теглото и цената на индуктора не са от особено значение.

Фазовото изместване установява честотата на трептене, тъй като веригата импулсира с честотата, която извлича фазово изместване от 180 градуса. Df / dt или скоростта, с която фазовото изместване се променя с честота, решава стабилността на честотата.

Когато се използват каскадно буферирани RC секции под формата на opamps, предлагащи импеданс с висок вход и ниска мощност, фазовото изместване се умножава по броя на секциите, н (вижте фигурата по-долу).

Въпреки факта, че две каскадни RC секции представляват фазово изместване на 180 °, може да откриете, че dФ / dt е минимален при честотата на осцилатора.

В резултат на това се предлагат осцилатори, конструирани с помощта на две каскадни RC секции неадекватен стабилност на честотата.

Три еднакви каскадни RC филтърни секции осигуряват увеличен dF / dt, позволявайки на осцилатора с подобрена честотна стабилност.

Въвеждането на четвърта RC секция обаче създава осцилатор с изключителен dФ / dt.

Следователно това се превръща в изключително стабилна настройка на осцилатора.

Четири раздела са предпочитаният обхват главно защото opamps се предлагат в четворни пакети.

Също така, осцилаторът с четири секции генерира 4 синусоиди, които са изместени на 45 ° фаза по отношение един на друг, което означава, че този осцилатор ви позволява да се докоснете до синусоидални / косинусови или квадратурни синусоиди.

Използване на кристали и керамични резонатори

Кристалните или керамични резонатори ни осигуряват най-стабилните осцилатори. Това е така, защото резонаторите се доставят с невероятно висок dФ / dt в резултат на техните нелинейни свойства.

Резонаторите се прилагат във високочестотни осцилатори, но нискочестотните осцилатори обикновено не работят с резонатори поради ограничения по размер, тегло и разходи.

Ще откриете, че операционните усилватели не се използват с керамични резонаторни осцилатори, главно защото opamps включват намалена честотна лента.

Проучванията показват, че е по-евтино да се конструира високочестотен кристален осцилатор и да се намали изхода, за да се получи ниска честота, вместо да се включи нискочестотен резонатор.

Печалба в осцилатори

Коефициентът на усилване на осцилатора трябва да съвпада един при честота на трептене. Дизайнът става стабилен, след като печалбата е по-голяма от 1 и трептенията спират.

Веднага след като усилването достигне над 1, заедно с фазово отместване от –180 °, нелинейното свойство на активното устройство (opamp) намалява усилването до 1.

Когато възникне нелинейност, opamp се люлее близо до нивата на захранване (+/-) поради намаляването на границата или наситеността на усилването на активното устройство (транзистор).

Странното е, че лошо проектираните схеми всъщност изискват пределни печалби над 1 по време на тяхното производство.

От друга страна, по-голямото усилване води до по-голямо изкривяване на изходната синусоида.

В случаите, когато печалбата е минимална, трептенията спират при крайно неблагоприятни обстоятелства.

Когато коефициентът на усилване е много висок, изходната форма на вълната изглежда много по-подобна на квадратна вълна вместо на синусоида.

Изкривяването обикновено е непосредствена последица от прекалено голямото усилване при засилване на усилвателя.

Следователно печалбата трябва да бъде внимателно регулирана за постигане на осцилатори с ниско изкривяване.

Осцилаторите с фазово изместване могат да показват изкривявания, но те могат да имат способността да постигат изходни напрежения с ниско изкривяване, използвайки буферирани каскадни RC секции.

Това е така, защото каскадните RC секции се държат като филтри за изкривяване. Освен това, буферираните осцилатори с фазово изместване изпитват ниско изкривяване, тъй като усилването се управлява и равномерно балансира между буферите.

Заключение

От горната дискусия научихме основния принцип на работа на генераторите на opamp и разбрахме по отношение на основните критерии за постигане на трайни трептения. В следващия пост ще научим за Осцилатори на Wien-bridge .