Phase Shift Oscillator - Wien-Bridge, Buffered, Quadrature, Bubba

Ang isang phase-shift oscillator ay isang oscillator circuit na idinisenyo upang makabuo ng isang output ng sinewave. Ito ay nagpapatakbo ng isang solong aktibong elemento tulad ng isang BJT o isang op amp na naka-configure sa isang inverting amplifier mode.

Lumilikha ang pag-aayos ng circuit ng isang puna mula sa output hanggang sa input sa pamamagitan ng paggamit ng isang RC (resistor / capacitor) circuit na nakaayos sa isang network ng uri ng hagdan. Ang pagpapakilala ng feedback na ito ay nagdudulot ng positibong 'shift' sa yugto ng output mula sa amplifier ng 180 degree sa dalas ng oscillator.

Ang laki ng phase shift na nilikha ng RC network ay depende sa dalas. Ang mas mataas na mga frequency ng oscillator ay lumilikha ng mas malaking halaga ng phase shift.

Ang mga sumusunod na komprehensibong paliwanag ay makakatulong sa amin upang malaman ang konsepto sa mas maraming mga detalye.

Nasa Nakaraang post nalaman namin ang tungkol sa mga kritikal na pagsasaalang-alang na kinakailangan habang nagdidisenyo ng isang op-amp based phase oscillator. Sa post na ito ay dadalhin namin ito sa unahan at malalaman ang tungkol sa mga uri ng phase shift oscillators at kung paano makalkula ang mga kasangkot na mga parameter sa pamamagitan ng mga formula.

Wien-bridge circuit

Ipinapakita ng diagram sa ibaba ang pag-set up ng circuit ng Wien-bridge.

Dito, maaari nating sirain ang loop sa positibong input ng opamp at kalkulahin ang nagbabalik na signal gamit ang sumusunod na Equation 2:

Kailan ⍵ = 2πpf = 1 / RC , ang feedback ay nasa phase (positibong feedback), pagkakaroon ng isang nakuha ng 1/3 .

Samakatuwid ang mga oscillation ay nangangailangan ng opamp circuit upang magkaroon ng isang makakuha ng 3.

Nang si R F = 2R G , ang nakuha ng amplifier ay 3 at ang oscillation ay nagsisimula sa f = 1 / 2πRC.

Sa aming eksperimento ang circuit ay nag-oscillate sa 1.65 kHz sa halip na 1.59 kHz gamit ang ipinahiwatig na mga halaga ng bahagi sa Larawan 3, ngunit may maliwanag na pagbaluktot.

Ang susunod na pigura sa ibaba ay nagpapakita ng pagkakaroon ng Wien-bridge circuit hindi linear na puna .

Maaari naming makita ang isang lampara RL na ang paglaban ng filament ay napili napakababa, tungkol sa 50% ng halaga ng pagtutol ng feedback ng RF, dahil ang kasalukuyang lampara ay tinukoy ng RF at RL.

Ang ugnayan sa pagitan ng kasalukuyang lampara at paglaban ng lampara na hindi linya, nakakatulong upang mapanatili ang mga pagkakaiba-iba ng boltahe ng output sa minimum na antas.

Maaari ka ring makahanap ng maraming mga circuit na nagsasama ng diode sa halip na ipinaliwanag sa itaas na konsepto ng elemento ng feedback na hindi linya.

Ang paggamit ng isang diode ay makakatulong na bawasan ang antas ng pagbaluktot sa pamamagitan ng pag-aalok ng isang banayad na kontrol ng boltahe ng output.

Gayunpaman kung ang mga pamamaraan sa itaas ay hindi kanais-nais sa iyo pagkatapos ay dapat kang pumunta para sa mga pamamaraan ng AGC, na magkaparehong tumutulong upang makakuha ng isang nabawasang pagbaluktot.

Ang isang pangkaraniwang Wien-bridge oscillator na gumagamit ng isang AGC circuit ay ipinapakita sa sumusunod na pigura.

Dito, sinusubukan nito ang negatibong alon ng sine sa pamamagitan ng D1, at ang sample ay nakaimbak sa loob ng C1.

Ang R1 at R2 ay kinakalkula tulad na nakasentro ang bias sa Q1 upang matiyak na (R G + R Q1 ) katumbas ng R F / 2 na may inaasahang boltahe ng output.

Kung ang output boltahe ay may kaugaliang makakuha ng mas mataas, paglaban ng Q1 tumataas, dahil dito binabaan ang nakuha.

Sa unang circuit ng oscillator ng Wien bridge, ang suplay na 0.833-volt ay maaaring makita na inilapat sa positibong opamp input pin. Ginawa ito upang ma-sentralisahin ang output quiescent voltage sa VCC / 2 = 2.5 V.

Phase-shift oscillator (isang opamp)

Ang isang phase-shift oscillator ay maaari ring maitayo gamit ang isang solong opamp tulad ng ipinakita sa itaas.

Ang maginoo na pag-iisip ay na sa phase-shift circuit ang mga yugto ay nakahiwalay at pamamahala ng sarili ng bawat isa. Binibigyan kami nito ng sumusunod na equation:

Kapag ang shift ng phase ng indibidwal na seksyon ay –60 ° ang loop phase shift ay = –180 °. Nangyayari ito nang ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC dahil ang tangent 60 ° = 1.73.

Ang halaga ng β sa sandaling ito ay nangyayari na (1/2)³, na nangangahulugang ang kita, A, ay dapat na may antas na 8 para sa system gain na may antas sa 1.

Sa diagram na ito, ang dalas ng pag-oscillation para sa ipinahiwatig na mga halaga ng bahagi ay natagpuan na 3.76 kHz, at hindi ayon sa kinakalkula na dalas ng oscillation na 2.76 kHz.

Bukod dito, ang nakuha na kinakailangan upang simulan ang pag-oscillation ay sinusukat sa 26 at hindi ayon sa kinakalkula na nakuha na 8.

Ang mga uri ng kamalian na ito ay sa ilang sukat dahil sa mga kakulangan ng sangkap.

Gayunpaman ang pinaka-makabuluhang nakakaapekto sa aspeto ay dahil sa mga maling hula na ang mga yugto ng RC ay hindi kailanman nakakaapekto sa isa't isa.

Ang solong pag-setup na circuit ng opamp na ito ay dating kilalang kilala sa mga oras na ang mga aktibong sangkap ay malaki at mataas ang presyo.

Ngayon ang mga op-amp ay matipid at siksik at magagamit na may apat na numero sa loob ng isang solong pakete, samakatuwid ang solong opamp phase-shift oscillator ay kalaunan ay nawala ang pagkilala nito.

Buffered phase-shift oscillator

Maaari naming makita ang isang buffered phase-shift oscillator sa nasa itaas na pigura, na pumuputok sa 2.9 kHz sa halip na inaasahang perpektong dalas ng 2.76 kHz, at may pakinabang na 8.33 na taliwas sa isang perpektong pakinabang na 8.

Ipinagbabawal ng mga buffer ang mga seksyon ng RC na makaapekto sa bawat isa, at samakatuwid ang mga buffered phase-shift oscillator ay maaaring gumana nang mas malapit sa kinakalkula na dalas at makakuha.

Ang resistor RG na responsable para sa setting ng makakuha, naglo-load ng pangatlong seksyon ng RC, na pinapayagan ang ika-4 na opamp sa isang quad opamp na kumilos bilang isang buffer para sa seksyon ng RC na ito. Ito ay sanhi ng antas ng kahusayan upang maabot ang isang perpektong halaga.

Maaari naming makuha ang isang mababang-pagbaluktot na alon ng sine mula sa alinman sa mga yugto ng phase-shift oscillator, ngunit ang pinaka-likas na alon ng sine ay maaaring makuha mula sa output ng huling seksyon ng RC.

Karaniwan itong isang mataas na impedance mababang kasalukuyang junction, samakatuwid ang isang circuit na mayroong isang high-impedance input yugto ay dapat gamitin dito upang maiwasan ang pag-load at dalas ng mga paglihis bilang tugon sa mga pagkakaiba-iba ng pag-load.

Quadrature oscillator

Ang quadrature oscillator ay isa pang bersyon ng phase-shift oscillator, subalit ang tatlong mga yugto ng RC ay pinagsama sa isang paraan na ang bawat seksyon ay nagdaragdag ng 90 ° ng phase shift.

Ang mga output ay pinangalanan sine at cosine (quadrature) lamang dahil mayroong umiiral na isang 90 ° phase shift sa mga output ng opamp. Ang nakuha ng loop ay natutukoy sa pamamagitan ng Equation 4.

Sa ⍵ = 1 / RC , Ang Equation 5 ay nagpapasimple sa 1√ - 180 ° , na humahantong sa mga oscillation sa ⍵ = 2πpf = 1 / RC.

Ang eksperimentong circuit ay pumintal sa 1.65 kHz na taliwas sa kinakalkula na halaga ng 1.59 kHz, at ang pagkakaiba ay pangunahin dahil sa mga pagkakaiba-iba ng halaga ng bahagi.

Bubba oscillator

Ang Bubba oscillator na ipinakita sa itaas ay isa pang pagkakaiba-iba ng phase-shift oscillator, ngunit tinatamasa ang pakinabang mula sa quad op-amp package upang makabuo ng ilang mga natatanging tampok.

Tumawag ang apat na seksyon ng RC para sa 45 ° phase shift para sa bawat seksyon, na nangangahulugang ang oscillator na ito ay may isang natitirang dΦ / dt upang mabawasan ang mga paglihis ng dalas.

Ang bawat isa sa mga seksyon ng RC ay bumubuo ng 45 ° phase shift. Ibig sabihin, dahil mayroon kaming mga output mula sa mga kahaliling seksyon na tiniyak ang mga output ng quadrature na mababa ang impedance.

Kailan man ang isang output ay nakuha mula sa bawat opamp, ang circuit ay gumagawa ng apat na 45 ° phase-shifted sine waves. Ang loop equation ay maaaring nakasulat bilang:

Kailan ⍵ = 1 / RCs , ang mga equation sa itaas ay lumiliit sa mga sumusunod na Equation 7 at 8.

Ang nakuha, A, ay dapat na maabot ang halaga ng 4 upang simulan ang isang osilasyon.

Ang circuit ng pag-aaral ay nag-oscillate sa 1.76 kHz na taliwas sa perpektong dalas ng 1.72 kHz habang ang nakuha ay tila 4.17 sa halip na ang perpektong pakinabang na 4.

Dahil sa isang nabawasang kita SA at mababang bias kasalukuyang mga op-amp, ang risistor na RG na responsable para sa pag-aayos ng nakuha ay hindi na-load ang panghuling seksyon ng RC. Ginagarantiyahan nito ang pinaka-tumpak na output ng dalas ng oscillator.

Lubhang mababa ang pagbaluktot ng mga alon ng sine ay maaaring makuha mula sa kantong ng R at RG.

Kailan man kinakailangan ang mga low-distortion na alon ng sine sa lahat ng mga output, ang nakuha ay talagang dapat na ibinahagi nang pantay sa lahat ng mga opamp.

Ang input na hindi na-inververt ng gain op-amp ay kampi sa 0.5 V upang likhain ang quiescent output voltage sa 2.5 V. Kinakailangan ang pamamahagi ng pagkakaroon ng biasing ng iba pang mga opamp, ngunit tiyak na wala itong epekto sa dalas ng oscillation.

Konklusyon

Sa talakayan sa itaas naintindihan namin na ang Op amp phase shift oscillators ay napipigilan sa mas mababang dulo ng frequency band.

Ito ay dahil sa ang katunayan na ang mga op-amp ay walang mahahalagang bandwidth para sa pagpapatupad ng mababang phase shift sa mas mataas na mga frequency.

Ang paglalapat ng modernong kasalukuyang-feedback na mga op-amp sa mga circuit ng oscillator ay mukhang mahirap dahil ang mga ito ay napaka-sensitibo sa kapasidad ng feedback.

Ang mga op-amp ng feedback ng boltahe ay pinaghihigpitan sa ilang 100 kHz lamang mula nang bumuo sila ng labis na paglipat ng bahagi.

Gumagana ang oscillator ng Wien-bridge gamit ang isang maliit na bilang ng mga bahagi, at ang katatagan ng dalas nito ay katanggap-tanggap.

Ngunit, ang pag-toning ng distorsyon sa isang Wien-bridge oscillator ay mas madali kaysa sa pagpapasimula mismo ng proseso ng pag-oscillation.

Ang quadrature oscillator ay tiyak na tumatakbo gamit ang isang pares ng mga op-amp, ngunit nagsasama ito ng mas mataas na pagbaluktot. Gayunpaman, ang mga phase-shift oscillator, tulad ng Bubba oscillator ay nagpapakita ng mas mababang pagbaluktot kasama ang ilang disenteng dalas ng katatagan.

Nasabi ito, ang pinahusay na pagpapaandar ng ganitong uri ng phase-shift oscillators ay hindi mura dahil sa mas mataas na gastos ng mga bahagi na kasangkot sa iba't ibang mga yugto ng circuit.

Mga nauugnay na Web site
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