Осцилляторы операционных усилителей

Генератор, использующий операционный усилитель в качестве активного элемента, называется генератором операционного усилителя.

В этом посте мы узнаем, как проектировать генераторы на основе операционных усилителей, а также узнаем о многих критических факторах, необходимых для создания стабильной конструкции генератора.

Генераторы на базе операционных усилителей обычно используются для генерации точных периодических сигналов, таких как квадратная, пилообразная, треугольная и синусоидальная.

Обычно они работают с использованием одного активного устройства, лампы или кристалла и связаны с несколькими пассивными устройствами, такими как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, для генерации выходного сигнала.

Категории осцилляторов ОУ

Вы найдете пару основных групп осцилляторов: релаксационные и синусоидальные.

Осцилляторы релаксации генерируют треугольные, пилообразные и другие несинусоидальные сигналы.

Синусоидальные генераторы включают в себя операционные усилители с использованием дополнительных частей, предназначенных для создания колебаний, или кристаллов, которые имеют встроенные генераторы колебаний.

Генераторы синусоидальной волны используются в качестве источников или тестовых сигналов во многих схемах.

Чистый синусоидальный генератор имеет только индивидуальную или базовую частоту: в идеале без каких-либо гармоник.

В результате синусоидальная волна может быть входом в схему, используя вычисленные выходные гармоники для фиксации уровня искажений.

Формы сигналов в релаксационных генераторах формируются с помощью синусоидальных волн, которые суммируются для получения заданной формы.

Осцилляторы полезны для создания последовательных импульсов, которые используются в качестве эталона в таких приложениях, как аудио, генераторы функций, цифровые системы и системы связи.

Генераторы синусоидальной волны

Синусоидальные генераторы состоят из операционных усилителей, использующих RC- или LC-схемы, которые содержат регулируемые частоты колебаний, или кристаллы, которые обладают заданной частотой колебаний.

Частота и амплитуда колебаний устанавливаются путем выбора пассивной и активной частей, подключенных к центральному операционному усилителю.

Генераторы на базе операционных усилителей - это схемы, созданные нестабильными. Не тот тип, который иногда неожиданно разрабатывают или конструируют в лаборатории, а скорее типы, которые намеренно созданы для того, чтобы продолжать находиться в нестабильном или колеблющемся состоянии.

Генераторы на операционных усилителях привязаны к нижнему краю частотного диапазона из-за того, что операционные усилители не имеют необходимой полосы пропускания для реализации низкого фазового сдвига на высоких частотах.

Операционные усилители с обратной связью по напряжению ограничены диапазоном низких кГц, поскольку их основной полюс без обратной связи часто составляет всего 10 Гц.

Современные операционные усилители с обратной связью по току имеют значительно более широкую полосу пропускания, но их невероятно сложно реализовать в схемах генератора, поскольку они чувствительны к емкости обратной связи.

Кварцевые генераторы рекомендуются в высокочастотных приложениях в диапазоне сотен МГц.

Базовые требования

В самом основном типе, также называемом каноническим, используется метод отрицательной обратной связи.

Это становится предпосылкой для инициирования колебаний, как показано на рисунке 1. Здесь мы видим блок-схему такого метода, в котором VIN фиксируется как входное напряжение.

Vout означает выход из блока A.

β обозначает сигнал, также называемый коэффициентом обратной связи, который подается обратно в суммирующий переход.

E обозначает элемент ошибки, эквивалентный сумме коэффициента обратной связи и входного напряжения.

Полученные уравнения для схемы генератора можно увидеть ниже. Первое уравнение является важным, определяющим выходное напряжение. Уравнение 2 дает коэффициент ошибки.

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

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

Исключение коэффициента ошибки E из приведенных выше уравнений дает

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

Извлечение элементов в Vout дает

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

Реорганизация членов в приведенном выше уравнении дает нам следующую классическую формулу обратной связи через уравнение № 5

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

Осцилляторы умеют работать без внешнего сигнала. Скорее, часть выходного импульса используется как вход через сеть обратной связи.

Колебания инициируются, когда обратная связь не может достичь стабильного устойчивого состояния. Это происходит потому, что действие передачи не выполняется.

Эта нестабильность возникает, когда знаменатель уравнения # 5 становится равным нулю, как показано ниже:

1 + Aβ = 0 или Aβ = -1.

Решающим моментом при проектировании схемы генератора является обеспечение Aβ = -1. Это состояние называется Критерий Баркгаузена .

Для удовлетворения этого условия становится важным, чтобы значение усиления контура оставалось равным единице за счет соответствующего сдвига фазы на 180 градусов. Это означает отрицательный знак в уравнении.

Вышеупомянутые результаты могут быть альтернативно выражены, как показано ниже, с использованием символов сложной алгебры:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

При разработке генератора с положительной обратной связью приведенное выше уравнение можно записать как:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° что делает член Aβ в уравнении № 5 отрицательным.

Когда Aβ = -1, выход обратной связи стремится к бесконечному напряжению.

Когда это приближается к максимальным уровням питания + или -, уровень усиления активных устройств в схемах изменяется.

Это приводит к тому, что значение A становится Aβ -1, замедляя приближение бесконечного напряжения обратной связи, в конечном итоге останавливая его.

Здесь мы можем обнаружить одну из трех возможностей:

1. Нелинейное насыщение или отсечка, вызывающие стабилизацию и блокировку генератора.
2. Первоначальный заряд заставляет систему насыщаться в течение длительного периода, прежде чем она снова станет линейной и начнет приближаться к противоположной шине питания.
3. Система продолжает находиться в линейной области и возвращается к противоположной питающей шине.

В случае второй возможности мы получаем сильно искаженные колебания, обычно в виде квазипрямоугольных волн.

Что такое фазовый сдвиг в генераторах

Фазовый сдвиг на 180 ° в уравнении Aβ = 1 ㄥ -180 ° создается за счет активных и пассивных компонентов.

Как и любая правильно спроектированная цепь обратной связи, генераторы построены на основе фазового сдвига пассивных компонентов.

Это связано с тем, что результаты для пассивных деталей точны и практически не имеют дрейфа. Фазовый сдвиг, полученный от активных компонентов, в основном неточен из-за многих факторов.

Он может дрейфовать при изменении температуры, может иметь широкий начальный допуск, а также результаты могут зависеть от характеристик устройства.

Операционные усилители выбираются таким образом, чтобы гарантировать минимальный сдвиг фазы относительно частоты колебаний.

Однополюсная схема RL (резистор-индуктор) или RC (резистор-конденсатор) вызывает сдвиг фазы примерно на 90 ° на полюс.

Поскольку для колебания необходим 180 °, при разработке генератора используются как минимум два полюса.

LC-цепь имеет 2 полюса, поэтому она обеспечивает сдвиг фазы около 180 ° для каждой пары полюсов.

Однако мы не будем здесь обсуждать конструкции на основе ЖК из-за наличия низкочастотных индукторов, которые могут быть дорогими, громоздкими и нежелательными.

Генераторы LC предназначены для высокочастотных приложений, которые могут выходить за пределы диапазона частот операционных усилителей, основанных на принципе обратной связи по напряжению.

Здесь вы можете обнаружить, что размер индуктора, вес и стоимость не имеют большого значения.

Фазовый сдвиг определяет частоту колебаний, поскольку схема пульсирует с частотой, которая дает фазовый сдвиг на 180 градусов. Df / dt или скорость, с которой фазовый сдвиг изменяется с частотой, определяет стабильность частоты.

Когда RC-секции с каскадной буферизацией используются в форме операционных усилителей, предлагая высокий входной и низкий выходной импеданс, фазовый сдвиг умножается на количество секций, п (см. рисунок ниже).

Несмотря на то, что две каскадные RC-секции имеют фазовый сдвиг на 180 °, вы можете найти dФ / dt минимальным на частоте генератора.

В результате генераторы, построенные с использованием двух каскадных RC-секций, предлагают неадекватный стабильность частоты.

Три идентичных каскадных RC-фильтра обеспечивают повышенное значение dФ / dt, обеспечивая генератору повышенную стабильность частоты.

Однако введение четвертой RC-секции создает генератор с выдающийся dФ / dt.

Следовательно, это становится чрезвычайно стабильной установкой генератора.

Четыре секции являются предпочтительным диапазоном главным образом потому, что операционные усилители доступны в четырехъядерных корпусах.

Кроме того, четырехсекционный осциллятор генерирует 4 синусоидальные волны, которые сдвинуты по фазе на 45 ° относительно друг друга, что означает, что этот осциллятор позволяет вам получать синусоидальные / косинусные или квадратурные синусоидальные волны.

Использование кристаллов и керамических резонаторов

Кристаллические или керамические резонаторы обеспечивают наиболее стабильные генераторы. Это связано с тем, что резонаторы обладают невероятно высоким значением dФ / dt из-за их нелинейных свойств.

Резонаторы применяются в высокочастотных генераторах, однако низкочастотные генераторы обычно не работают с резонаторами из-за ограничений по размеру, весу и стоимости.

Вы обнаружите, что операционные усилители не используются с керамическими резонаторными генераторами в основном потому, что операционные усилители имеют уменьшенную полосу пропускания.

Исследования показывают, что дешевле построить высокочастотный кварцевый генератор и уменьшить выходную мощность для получения низкой частоты, вместо того, чтобы включать низкочастотный резонатор.

Прирост в осцилляторах

Коэффициент усиления генератора должен соответствовать один на частоте колебаний. Конструкция становится устойчивой, когда коэффициент усиления превышает 1, и колебания прекращаются.

Как только коэффициент усиления достигает более 1, а фазовый сдвиг составляет –180 °, нелинейные свойства активного устройства (операционного усилителя) понижают коэффициент усиления до 1.

Когда возникает нелинейность, операционный усилитель колеблется около одного из (+/-) уровней питания из-за уменьшения отсечки или насыщения усиления активного устройства (транзистора).

Странно то, что плохо спроектированные схемы на самом деле требуют предельной прибыли, превышающей 1, во время их производства.

С другой стороны, более высокое усиление приводит к большему искажению выходной синусоидальной волны.

В случаях, когда усиление минимально, колебания прекращаются при крайне неблагоприятных обстоятельствах.

Когда усиление очень велико, форма выходного сигнала больше похожа на прямоугольную волну, чем на синусоидальную волну.

Искажения обычно являются непосредственным следствием слишком большого усиления, превышающего усилитель.

Следовательно, для достижения генераторов с низким уровнем искажений необходимо осторожно регулировать усиление.

Генераторы с фазовым сдвигом могут показывать искажения, однако они могут иметь возможность достигать выходного напряжения с низким уровнем искажений, используя буферизованные каскадные RC-секции.

Это связано с тем, что каскадные RC-секции действуют как фильтры искажений. Более того, буферизованные генераторы с фазовым сдвигом испытывают низкие искажения, поскольку усиление регулируется и равномерно балансируется между буферами.

Заключение

Из приведенного выше обсуждения мы узнали основной принцип работы генераторов операционных усилителей и поняли основные критерии для достижения устойчивых колебаний. В следующем посте мы узнаем о Генераторы с мостом Вина .