Op amp Oscillator

Ang isang oscillator build gamit ang isang op amp bilang aktibong elemento ay tinatawag na op amp oscillator.

Sa post na ito natututunan namin kung paano mag-disenyo ng mga oscillator batay sa opamp, at tungkol sa maraming mga kritikal na kadahilanan na kinakailangan para sa pagbuo ng isang matatag na disenyo ng oscillator.

Ang mga oscillator na batay sa op amp ay karaniwang ginagamit upang makabuo ng tumpak, pana-panahong mga form ng alon tulad ng square, sawtooth, triangular, at sinusoidal.

Pangkalahatan ay nagpapatakbo ang mga ito gamit ang isang solong aktibong aparato, o isang lampara, o isang kristal, at nauugnay sa ilang mga passive na aparato tulad ng resistors, capacitor, at inductors, upang makabuo ng output.

Mga Kategoryang Op-amp Oscillator

Mahahanap mo ang isang pares ng mga pangunahing pangkat ng mga oscillator: pagpapahinga at sinusoidal.

Ang mga oscillator ng relaxation ay gumagawa ng mga triangular, sawtooth at iba pang mga nonsinuoidal waveforms.

Ang mga sinusoidal oscillator ay isinasama ang mga op-amp gamit ang mga karagdagang bahagi na sanay upang lumikha ng osilasyon, o mga kristal na may mga built-in na generator ng oscillation.

Ang mga sinus wave oscillator ay ginagamit bilang mga mapagkukunan o pagsubok na mga form ng alon sa maraming mga aplikasyon ng circuit.

Ang isang purong sinusoidal oscillator ay nagtatampok lamang ng isang indibidwal o pangunahing dalas: perpektong walang anumang mga harmonika.

Bilang isang resulta, ang isang sinusoidal na alon ay maaaring maging input sa isang circuit, gamit ang kinakalkula na mga harmonika ng output upang ayusin ang antas ng pagbaluktot.

Ang mga form ng alon sa mga oscillator ng pagpapahinga ay ginawa sa pamamagitan ng mga sinusoidal na alon na na-summed upang maihatid ang itinakdang hugis.

Ang mga oscillator ay kapaki-pakinabang para sa paggawa ng pare-parehong mga salpok na ginagamit bilang isang sanggunian sa mga application tulad ng audio, generator ng function, digital system, at mga sistema ng komunikasyon.

Mga Oscillator ng Sine Wave

Ang mga sinusoidal oscillator ay binubuo ng mga op-amp gamit ang mga RC o LC circuit na naglalaman ng mga naaakma na mga frequency ng oscillation, o mga kristal na nagtataglay ng isang paunang natukoy na dalas ng oscillation.

Ang dalas at malawak ng oscillation ay itinatag sa pamamagitan ng pagpili ng mga passive at aktibong bahagi na naka-hook sa gitnang op-amp.

Ang mga oscillator na batay sa op-amp ay mga circuit na nilikha upang maging hindi matatag. Hindi ang uri na kung minsan ay hindi inaasahang nabuo o dinisenyo sa lab, sa halip ang mga uri na sadyang itinayo upang magpatuloy na nasa isang hindi matatag o oscillatory na kondisyon.

Ang mga op-amp oscillator ay nakatali sa ilalim na dulo ng saklaw ng dalas dahil sa ang katunayan na ang mga opamp ay kulang sa kinakailangang bandwidth para sa pagpapatupad ng mababang phase shift sa mataas na mga frequency.

Ang mga opamp ng boltahe-feedback ay pinaghihigpitan sa isang mababang saklaw ng kHz dahil ang kanilang punong-guro, open-loop poste ay madalas kasing liit ng 10 Hz.

Ang modernong mga opamp na kasalukuyang feedback ay dinisenyo na may makabuluhang mas malawak na bandwidth, ngunit ang mga ito ay hindi kapani-paniwalang mahirap ipatupad sa mga oscillator circuit dahil sensitibo sila sa kapasidad ng feedback.

Inirerekomenda ang mga kristal oscillator sa mga application na may mataas na dalas sa saklaw ng daang mga saklaw ng MHz.

Pangunahing Mga Kinakailangan

Sa pinaka-pangunahing uri, na tinatawag ding uri ng canonical isang negatibong pamamaraan ng feedback ang ginamit.

Ito ang naging pangunahing kinakailangan para sa pagpapasimula ng pag-oscillation tulad ng ipinakita sa Larawan 1. Dito makikita natin ang diagram ng block para sa isang pamamaraan kung saan ang VIN ay naayos na bilang boltahe ng pag-input.

Ang Vout ay nangangahulugang ang output mula sa bloke A.

Ang β ay nangangahulugang signal, na tinatawag ding factor ng feedback, na ibinibigay pabalik sa summing junction.

Ang E ay nangangahulugan ng elemento ng error na katumbas ng kabuuan ng factor ng feedback at ang boltahe ng pag-input.

Ang mga nagresultang equation para sa isang oscillator circuit ay makikita sa ibaba. Ang unang equation ay ang mahalagang isa na tumutukoy sa output boltahe. Ang equation 2 ay nagbibigay ng error factor.

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

E = Vin + outVout --------------------------(dalawa)

Tinatanggal ang error factor E mula sa ibabang mga equation na ibinibigay

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

Ang pagkuha ng mga elemento sa Vout ay nagbibigay

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

Ang muling pagsasaayos ng mga termino sa equation sa itaas ay nagbibigay sa amin ng sumusunod na pormula ng klasikal na feedback sa pamamagitan ng equation # 5

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

Ang mga oscillator ay maaaring gumana nang walang tulong ng isang panlabas na signal. Sa halip, ang isang bahagi ng output pulse ay ginagamit bilang input sa pamamagitan ng isang feeedback network.

Ang isang pag-oscillation ay sinimulan kapag ang puna ay nabigo upang makamit ang isang matatag na matatag na estado. Nangyayari ito dahil hindi natupad ang pagkilos na paglipat.

Ang hindi matatag na ito ay nangyayari kapag ang denominator ng equation # 5 ay naging zero, tulad ng ipinakita sa ibaba:

1 + Aβ = 0, o Aβ = -1.

Ang mahalagang bagay habang nagdidisenyo ng isang oscillator circuit ay upang matiyak ang Aβ = -1. Ang kondisyong ito ay tinawag na Pamantayan sa Barkhausen .

Upang masiyahan ang kundisyong ito, nagiging mahalaga na ang halaga ng nakuha ng loop ay mananatili sa pagkakaisa sa pamamagitan ng isang kaukulang 180 degree phase shift. Ito ay naiintindihan ng negatibong pag-sign sa equation.

Ang mga resulta sa itaas ay maaaring kahalili ipahayag tulad ng ipinakita sa ibaba gamit ang mga simbolo mula sa kumplikadong Algebra:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Habang ang pagdidisenyo ng isang positibong feedback oscillator sa equation sa itaas ay maaaring nakasulat bilang:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° na ginagawang negatibo ang katagang Aβ sa equation # 5.

Kapag Aβ = -1 ang output ng feedback ay may kaugaliang lumipat patungo sa isang walang katapusang boltahe.

Kapag lumalapit ito sa maximum na mga antas ng + o - supply, nagbabago ang antas ng mga aktibong aparato sa antas ng mga circuit.

Ito ay sanhi ng halaga ng A upang maging Aβ ≠ -1, pagbagal ng feedback na walang katapusan na diskarte ng boltahe, na paglaon ay pinahinto ito.

Dito. Maaari nating makita ang isa sa tatlong mga posibilidad na nangyayari:

1. Non-linear saturation o cut-off na nagdudulot sa oscillator na magpapatatag at magkulong.
2. Ang paunang singil na pinipilit ang system na mababad sa loob ng mas mahabang panahon bago ito muling maging linear at magsimulang lumapit sa tapat ng supply rail.
3. Ang sistema ay patuloy na nasa linear na rehiyon, at bumabalik patungo sa tapat ng supply rail.

Sa kaso ng pangalawang posibilidad, nakakakuha kami ng napakalubhang nait na oscillations, sa pangkalahatan sa anyo ng mga quasi square na alon.

Ano ang paglilipat ng Phase sa mga oscillator

Ang 180 ° phase shift sa equation Aβ = 1 ㄥ -180 ° ay nilikha sa pamamagitan ng mga aktibo at passive na bahagi.

Tulad ng anumang wastong dinisenyong circuit ng feedback, ang mga oscillator ay binuo batay sa phase shift ng mga passive na bahagi.

Ito ay dahil ang mga resulta mula sa mga passive na bahagi ay tumpak at praktikal na walang drift. Ang shift ng phase na nakuha mula sa mga aktibong bahagi ay halos hindi tumpak dahil sa maraming mga kadahilanan.

Maaari itong naaanod sa mga pagbabago sa temperatura, maaaring magpakita ng malawak na paunang pagpaparaya, at gayundin ang mga resulta ay maaaring nakasalalay sa katangian ng aparato.

Ang mga amp amp ay pinili upang matiyak na magdala sila ng tungkol sa minimum na shift ng phase sa dalas ng oscillation.

Ang isang solong poste ng RL (resistor-inductor) o RC (resistor-caapcitor) circuit ay nagdudulot ng humigit-kumulang na 90 ° phase shift bawat poste.

Dahil kinakailangan ang 180 ° para sa pag-oscillation, isang minimum na dalawang poste ang nagtatrabaho habang nagdidisenyo ng isang oscillator.

Ang isang LC circuit ay nagtataglay ng 2 mga poste samakatuwid, nagbibigay ito ng halos 180 ° phase shift para sa bawat pares ng poste.

Gayunpaman, hindi namin tatalakayin ang mga disenyo ng batay sa LC dito dahil sa kasangkot na mga setting ng mababang dalas na mga inductor na maaaring mahal, malaki, at hindi kanais-nais.

Ang mga LC oscillator ay inilaan para sa mga application na may mataas na dalas, na maaaring higit sa itaas ng saklaw ng dalas ng mga opamp batay sa prinsipyo ng boltahe ng feedback.

Maaari mong makita ang sukat ng inductor, timbang, at gastos na hindi gaanong kahalagahan.

Tinitiyak ng shift ng phase ang dalas ng oscillation dahil ang circuit pulses sa dalas na kumukuha ng phase shift na 180 degress. Ang df / dt o ang rate kung saan nagbabago ang phase shift sa dalas, nagpapasya sa katatagan ng dalas.

Kapag ang cascaded buffered RC na mga seksyon ay ginagamit sa anyo ng mga opamp, na nag-aalok ng highinput at low-output impedance, ang phase shift ay dumarami ng bilang ng mga seksyon, n (tingnan ang Larawan sa ibaba).

Sa kabila ng katotohanang ang dalawang kaskad na mga seksyon ng RC ay nagpapakita ng 180 ° phase shift, maaari mong makita ang dФ / dt na maging minimal sa dalas ng oscillator.

Bilang isang resulta ay itinayo ang mga oscillator gamit ang dalawang alok na cascaded RC na alok hindi sapat katatagan ng dalas.

Tatlong magkaparehong cascaded na seksyon ng filter ng RC ay nagbibigay ng isang nadagdagan na dФ / dt, na nagbibigay-daan sa oscillator na may isang pinahusay na katatagan ng dalas.

Gayunpaman, ang pagpapakilala sa isang ika-apat na seksyon ng RC ay lumilikha ng isang oscillator na may isang natitirang dФ / dt.

Samakatuwid ito ay nagiging isang lubos na matatag na pag-setup ng oscillator.

Apat na seksyon ang nangyari na ang ginustong saklaw na higit sa lahat dahil ang mga opamp ay magagamit sa mga quad na pakete.

Gayundin, ang oscillator ng apat na seksyon ay gumagawa ng 4 na mga alon ng sine na 45 ° phase na inilipat na may sanggunian sa isa't isa, na nangangahulugang pinapayagan ka ng oscillator na ito na hawakan ang sine / cosine o quadrature sine waves.

Paggamit ng Mga Kristal at Ceramic Resonator

Ang kristal o ceramic resonator ay nagbibigay sa amin ng pinaka-matatag na mga oscillator. Ito ay dahil ang mga resonator ay may isang hindi kapani-paniwalang mataas na dФ / dt bilang isang resulta ng kanilang mga hindi linya na katangian.

Ang mga resonator ay inilalapat sa mga oscillator ng mataas na dalas, gayunpaman, ang mga oscillator ng mababang dalas ay karaniwang hindi gumagana sa mga resonator dahil sa laki, bigat, at mga hadlang sa gastos.

Malalaman mo na ang mga op-amp ay hindi nagamit sa mga ceramic resonator oscillator higit sa lahat dahil ang mga opamp ay may kasamang nabawasan na bandwidth.

Ipinapakita ng mga pag-aaral na ito ay mas mura upang makabuo ng isang high-frequency na kristal oscillator at i-cut down ang output upang makakuha ng isang mababang dalas sa halip na isama ang isang mababang-dalas ng resonator.

Makakuha ng mga oscillator

Dapat tumugma ang pakinabang ng isang oscillator isa sa dalas ng oscillation. Ang disenyo ay magiging matatag sa sandaling ang nakuha ay mas malaki sa 1 at ihinto ang mga oscillation.

Sa sandaling ang nakuha ay umabot sa higit sa 1 kasama ang isang phase shift na –180 °, ang hindi linear na pag-aari ng aktibong aparato (opamp) ay bumaba sa 1.

Kapag naganap ang hindi pagguhit ng linya ang opamp swings malapit sa alinman (+/-) mga antas ng supply dahil sa pagbawas sa cut-off o saturation ng nakuha ng aktibong aparato (transistor).

Ang isang kakatwang bagay ay ang hindi magandang disenyo ng mga circuit ay talagang hinihiling ang mga marginal na nadagdag na higit sa 1 sa panahon ng kanilang paggawa.

Sa kabilang banda, ang mas mataas na makakuha ay humantong sa mas maraming halaga ng pagbaluktot para sa output sine wave.

Sa mga kaso kung saan minimal ang kita, ang mga oscillation ay tumitigil sa ilalim ng matinding hindi kanais-nais na mga pangyayari.

Kapag ang kita ay napakataas, ang output waveform ay lilitaw na mas katulad sa isang square wave sa halip na isang sine wave.

Ang pagbaluktot ay karaniwang isang agarang kahihinatnan ng labis na labis na labis na pagmamaneho ng amplifier.

Samakatuwid, ang kita ay dapat na maingat na mapamahalaan para sa pagkamit ng mababang mga oscillator ng pagbaluktot.

Ang mga oscillator ng phase-shift ay maaaring magpakita ng mga pagbaluktot, subalit maaari silang magkaroon ng kakayahang makamit ang isang mababang distorsyang output voltages gamit ang buffered cascaded RC section.

Ito ay dahil ang cascaded RC na mga seksyon ay kumikilos bilang mga filter ng pagbaluktot. Bukod dito, ang buffered phase-shift oscillators ay nakakaranas ng mababang pagbaluktot dahil ang kita ay pinamamahalaan at pantay na nabalanse sa pagitan ng mga buffer.

Konklusyon

Mula sa talakayan sa itaas natutunan natin ang pangunahing prinsipyo sa pagtatrabaho ng mga opamp oscillator at naintindihan patungkol sa mga pangunahing pamantayan para sa pagkamit ng mga matagal na oscillation. Sa susunod na post malalaman natin ang tungkol sa Mga oscillator ng Wien-bridge .