ออปแอมป์ออสซิลเลเตอร์

การสร้างออสซิลเลเตอร์โดยใช้แอมป์ op เป็นองค์ประกอบที่ใช้งานอยู่เรียกว่าออสซิลเลเตอร์ op amp

ในโพสต์นี้เราได้เรียนรู้วิธีการออกแบบออสซิลเลเตอร์ที่ใช้ opamp และเกี่ยวกับปัจจัยสำคัญหลายประการที่จำเป็นสำหรับการสร้างการออกแบบออสซิลเลเตอร์ที่มีเสถียรภาพ

โดยปกติแล้วออสซิลเลเตอร์ที่ใช้แอมป์จะใช้เพื่อสร้างรูปคลื่นที่แม่นยำเป็นระยะ ๆ เช่นสี่เหลี่ยมจัตุรัสฟันเลื่อยสามเหลี่ยมและไซน์

โดยทั่วไปจะทำงานโดยใช้อุปกรณ์แอคทีฟตัวเดียวหรือหลอดไฟหรือคริสตัลและเชื่อมโยงโดยอุปกรณ์แฝงสองสามตัวเช่นตัวต้านทานตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำเพื่อสร้างเอาต์พุต

Op-amp Oscillator หมวดหมู่

คุณจะพบกลุ่มออสซิลเลเตอร์หลักสองกลุ่ม ได้แก่ การผ่อนคลายและไซน์

ออสซิลเลเตอร์เพื่อการผ่อนคลายจะสร้างรูปคลื่นสามเหลี่ยมฟันเลื่อยและรูปคลื่นอื่น ๆ ที่ไม่ใช่รูปคลื่น

Sinusoidal oscillators รวมออปแอมป์โดยใช้ชิ้นส่วนเพิ่มเติมที่คุ้นเคยในการสร้างการสั่นหรือคริสตัลที่มีเครื่องกำเนิดการสั่นในตัว

ออสซิลเลเตอร์คลื่นไซน์ใช้เป็นแหล่งกำเนิดหรือทดสอบรูปคลื่นในการใช้งานวงจรจำนวนมาก

ออสซิลเลเตอร์แบบไซน์บริสุทธิ์มีคุณสมบัติเฉพาะความถี่ส่วนบุคคลหรือความถี่พื้นฐาน: โดยหลักการแล้วไม่มีฮาร์มอนิกใด ๆ

เป็นผลให้คลื่นไซน์อาจเป็นอินพุตของวงจรโดยใช้ฮาร์มอนิกเอาต์พุตที่คำนวณได้เพื่อแก้ไขระดับความผิดเพี้ยน

รูปคลื่นในออสซิลเลเตอร์เพื่อการผ่อนคลายถูกสร้างขึ้นผ่านคลื่นไซน์ซึ่งรวมเข้าด้วยกันเพื่อส่งมอบรูปร่างที่กำหนด

ออสซิลเลเตอร์มีประโยชน์ในการสร้างแรงกระตุ้นที่สม่ำเสมอซึ่งใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงในแอปพลิเคชันเช่นเสียงเครื่องกำเนิดฟังก์ชันระบบดิจิทัลและระบบการสื่อสาร

ไซน์เวฟออสซิลเลเตอร์

ออสซิลเลเตอร์ไซน์ประกอบด้วยออปแอมป์ที่ใช้วงจร RC หรือ LC ที่มีความถี่ในการสั่นที่ปรับได้หรือคริสตัลที่มีความถี่ในการสั่นที่กำหนดไว้ล่วงหน้า

ความถี่และแอมพลิจูดของการสั่นถูกกำหนดโดยการเลือกชิ้นส่วนพาสซีฟและแอคทีฟที่เชื่อมต่อกับ op-amp กลาง

ออสซิลเลเตอร์ที่ใช้ Op-amp เป็นวงจรที่สร้างขึ้นให้ไม่เสถียร ไม่ใช่ประเภทที่บางครั้งได้รับการพัฒนาหรือออกแบบโดยไม่คาดคิดในห้องปฏิบัติการ แต่เป็นประเภทที่สร้างขึ้นโดยเจตนาเพื่อให้อยู่ในสภาพที่ไม่เสถียรหรือมีการสั่น

ออสซิลเลเตอร์ของออปแอมป์จะเชื่อมโยงกับปลายด้านล่างของช่วงความถี่เนื่องจากความจริงที่ว่า opamps ขาดแบนด์วิดท์ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานกะระยะต่ำที่ความถี่สูง

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าตอบสนองถูก จำกัด ไว้ที่ช่วง kHz ต่ำเนื่องจากเสาหลักแบบวงเปิดมักมีขนาดเล็กถึง 10 Hz

opamps กระแสตอบรับปัจจุบันที่ทันสมัยได้รับการออกแบบให้มีแบนด์วิดท์ที่กว้างขึ้นอย่างมาก แต่สิ่งเหล่านี้ทำได้ยากอย่างไม่น่าเชื่อในวงจรออสซิลเลเตอร์เนื่องจากมีความไวต่อความจุป้อนกลับ

แนะนำให้ใช้คริสตัลออสซิลเลเตอร์ในการใช้งานความถี่สูงในช่วงหลายร้อย MHz

ข้อกำหนดพื้นฐาน

ในประเภทพื้นฐานที่สุดหรือที่เรียกว่าประเภทบัญญัติจะใช้วิธีการตอบรับเชิงลบ

สิ่งนี้กลายเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการเริ่มต้นการสั่นดังแสดงในรูปที่ 1 ที่นี่เราจะเห็นแผนภาพบล็อกสำหรับวิธีการดังกล่าวโดยที่ VIN ได้รับการแก้ไขเป็นแรงดันไฟฟ้าอินพุต

Vout หมายถึงผลลัพธ์จากบล็อก A

βหมายถึงสัญญาณเรียกอีกอย่างว่าปัจจัยป้อนกลับซึ่งส่งกลับไปยังจุดเชื่อมต่อผลรวม

E หมายถึงองค์ประกอบข้อผิดพลาดที่เทียบเท่ากับผลรวมของปัจจัยป้อนกลับและแรงดันไฟฟ้าขาเข้า

สมการที่ได้สำหรับวงจรออสซิลเลเตอร์สามารถดูได้ด้านล่าง สมการแรกเป็นสมการสำคัญที่กำหนดแรงดันไฟฟ้าขาออก สมการ 2 ให้ปัจจัยความผิดพลาด

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

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

การขจัดปัจจัยความผิดพลาด E จากสมการข้างต้นให้

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

การแยกองค์ประกอบใน Vout ให้

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

การจัดระเบียบคำศัพท์ใหม่ในสมการข้างต้นทำให้เรามีสูตรป้อนกลับแบบคลาสสิกต่อไปนี้ผ่านสมการ # 5

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

ออสซิลเลเตอร์สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องใช้สัญญาณภายนอก แต่ส่วนหนึ่งของพัลส์เอาต์พุตจะถูกใช้เป็นอินพุตผ่านเครือข่าย feeedback

การสั่นจะเริ่มต้นเมื่อข้อเสนอแนะล้มเหลวในการบรรลุสถานะคงตัวที่มั่นคง สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการดำเนินการโอนไม่บรรลุผล

ความไม่เสถียรนี้เกิดขึ้นเมื่อตัวส่วนของสมการ # 5 กลายเป็นศูนย์ดังที่แสดงด้านล่าง:

1 + Aβ = 0 หรือAβ = -1

สิ่งสำคัญในการออกแบบวงจรออสซิลเลเตอร์คือเพื่อให้แน่ใจว่าAβ = -1 เงื่อนไขนี้เรียกว่า เกณฑ์ Barkhausen .

เพื่อให้เป็นไปตามเงื่อนไขนี้จำเป็นอย่างยิ่งที่ค่าการรับลูปจะยังคงเป็นเอกภาพผ่านการกะระยะ 180 องศาที่สอดคล้องกัน สิ่งนี้เข้าใจได้โดยเครื่องหมายลบในสมการ

ผลลัพธ์ข้างต้นสามารถแสดงอีกทางเลือกหนึ่งดังที่แสดงด้านล่างโดยใช้สัญลักษณ์จากพีชคณิตเชิงซ้อน:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

ในขณะที่ออกแบบออสซิลเลเตอร์ตอบรับเชิงบวกสมการข้างต้นสามารถเขียนได้ดังนี้:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° ซึ่งทำให้เทอมAβในสมการ # 5 เป็นลบ

เมื่อAβ = -1 เอาต์พุตป้อนกลับมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนไปสู่แรงดันไฟฟ้าที่ไม่มีที่สิ้นสุด

เมื่อสิ่งนี้เข้าใกล้ระดับการจ่ายสูงสุด + หรือ - ระดับอัตราขยายของอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่ในวงจรจะเปลี่ยนไป

สิ่งนี้ทำให้ค่าของ A กลายเป็นAβ≠ -1 ทำให้ผลตอบรับช้าลงแนวทางแรงดันไฟฟ้าที่ไม่มีที่สิ้นสุดในที่สุดก็หยุดลง

ที่นี่เราอาจพบหนึ่งในสามความเป็นไปได้ที่เกิดขึ้น:

1. ความอิ่มตัวแบบไม่เป็นเชิงเส้นหรือการตัดออกทำให้ออสซิลเลเตอร์คงตัวและล็อค
2. ประจุเริ่มต้นบังคับให้ระบบอิ่มตัวเป็นเวลานานมากก่อนที่ระบบจะกลายเป็นเส้นตรงอีกครั้งและเริ่มเข้าใกล้รางจ่ายตรงข้าม
3. ระบบยังคงอยู่ในพื้นที่เชิงเส้นและเปลี่ยนกลับไปยังรางจ่ายที่ตรงกันข้าม

ในกรณีของความเป็นไปได้ที่สองเราจะได้การสั่นที่ผิดเพี้ยนไปอย่างมากโดยทั่วไปอยู่ในรูปคลื่นกึ่งสแควร์

การเปลี่ยนเฟสในออสซิลเลเตอร์คืออะไร

การกะระยะ 180 °ในสมการAβ = 1 ㄥ -180 °ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่และแบบพาสซีฟ

เช่นเดียวกับวงจรป้อนกลับที่ออกแบบมาอย่างถูกต้องออสซิลเลเตอร์ถูกสร้างขึ้นตามการกะระยะของส่วนประกอบแบบพาสซีฟ

เนื่องจากผลลัพธ์จากชิ้นส่วนแบบพาสซีฟมีความแม่นยำและปราศจากการลอยในทางปฏิบัติ การกะระยะที่ได้มาจากส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่ส่วนใหญ่ไม่ถูกต้องเนื่องจากหลายปัจจัย

มันอาจลอยไปพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอาจแสดงค่าเผื่อเริ่มต้นที่กว้างและผลลัพธ์อาจขึ้นอยู่กับลักษณะของอุปกรณ์

ออปแอมป์ถูกเลือกเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเปลี่ยนเฟสต่ำสุดไปยังความถี่ของการสั่น

วงจร RL (ตัวต้านทาน - ตัวเหนี่ยวนำ) ขั้วเดียวหรือ RC (ตัวต้านทาน - ตัวเหนี่ยวนำ) ทำให้กะระยะประมาณ 90 °ต่อขั้ว

เนื่องจาก 180 °เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการสั่นจึงต้องใช้เสาอย่างน้อยสองขั้วในขณะที่ออกแบบออสซิลเลเตอร์

วงจร LC มี 2 ขั้วดังนั้นจึงมีการเปลี่ยนเฟสประมาณ 180 °สำหรับคู่ขั้วแต่ละคู่

อย่างไรก็ตามเราจะไม่พูดถึงการออกแบบตาม LC ที่นี่เนื่องจากการมีส่วนร่วมของตัวเหนี่ยวนำความถี่ต่ำซึ่งอาจมีราคาแพงเทอะทะและไม่เป็นที่ต้องการ

LC ออสซิลเลเตอร์มีไว้สำหรับการใช้งานความถี่สูงซึ่งอาจเกินช่วงความถี่ของ opamps ตามหลักการป้อนกลับของแรงดันไฟฟ้า

ที่นี่คุณอาจพบว่าขนาดตัวเหนี่ยวนำน้ำหนักและค่าใช้จ่ายไม่ได้มีความสำคัญมากนัก

การกะระยะจะตรวจสอบความถี่ของการสั่นเนื่องจากวงจรพัลส์ที่ความถี่ที่ดึงการเปลี่ยนเฟส 180 องศา df / dt หรืออัตราที่การเปลี่ยนเฟสเปลี่ยนไปตามความถี่จะตัดสินความเสถียรของความถี่

เมื่อใช้ส่วน RC บัฟเฟอร์แบบเรียงซ้อนในรูปแบบของ opamps ซึ่งให้ความต้านทานอินพุตสูงและเอาต์พุตต่ำการเลื่อนเฟสจะคูณด้วยจำนวนส่วน n (ดูรูปด้านล่าง)

แม้ว่าส่วน RC แบบเรียงซ้อนสองส่วนจะมีการกะระยะ 180 ° แต่คุณอาจพบว่าdФ / dt มีความถี่น้อยที่สุดที่ความถี่ออสซิลเลเตอร์

เป็นผลให้ออสซิลเลเตอร์สร้างขึ้นโดยใช้ส่วน RC แบบเรียงซ้อนกันสองส่วน ไม่เพียงพอ เสถียรภาพความถี่

สามส่วนกรอง RC แบบเรียงซ้อนที่เหมือนกันให้dФ / dt ที่เพิ่มขึ้นทำให้ออสซิลเลเตอร์มีเสถียรภาพความถี่ที่เพิ่มขึ้น

อย่างไรก็ตามการแนะนำส่วน RC ที่สี่จะสร้างออสซิลเลเตอร์ที่มี โดดเด่น dФ / dt.

ดังนั้นสิ่งนี้จึงกลายเป็นการตั้งค่าออสซิลเลเตอร์ที่เสถียรมาก

สี่ส่วนเป็นช่วงที่ต้องการส่วนใหญ่เนื่องจาก opamps มีอยู่ในแพ็คเกจรูปสี่เหลี่ยม

นอกจากนี้ออสซิลเลเตอร์สี่ส่วนยังสร้างคลื่นไซน์ 4 คลื่นซึ่งมีการเลื่อนเฟส 45 °โดยอ้างอิงถึงกันและกันซึ่งหมายความว่าออสซิลเลเตอร์นี้ช่วยให้คุณรับคลื่นไซน์ไซน์ / โคไซน์หรือกำลังสอง

ใช้ Crystals และ Ceramic Resonators

เครื่องสะท้อนคริสตัลหรือเซรามิกให้ออสซิลเลเตอร์ที่เสถียรที่สุดแก่เรา เนื่องจากเครื่องสะท้อนเสียงมาพร้อมกับdФ / dt ที่สูงอย่างไม่น่าเชื่ออันเป็นผลมาจากคุณสมบัติที่ไม่เป็นเชิงเส้น

เรโซเนเตอร์ถูกนำไปใช้ในออสซิลเลเตอร์ความถี่สูงอย่างไรก็ตามออสซิลเลเตอร์ความถี่ต่ำมักจะไม่ทำงานกับเรโซเนเตอร์เนื่องจากขนาดน้ำหนักและข้อ จำกัด ด้านต้นทุน

คุณจะพบว่าออปแอมป์ไม่ได้ใช้กับออสซิลเลเตอร์เรโซเนเตอร์เซรามิกเป็นหลักเนื่องจาก opamps มีแบนด์วิดท์ที่ลดลง

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการสร้างออสซิลเลเตอร์คริสตัลความถี่สูงมีราคาไม่แพงและตัดทอนเอาต์พุตเพื่อให้ได้ความถี่ต่ำแทนที่จะใช้เครื่องสะท้อนความถี่ต่ำ

ได้รับออสซิลเลเตอร์

อัตราขยายของออสซิลเลเตอร์ต้องตรงกัน หนึ่ง ที่ความถี่การสั่น การออกแบบจะคงที่เมื่ออัตราขยายมากกว่า 1 และการสั่นหยุดลง

ทันทีที่การเพิ่มขึ้นถึง 1 พร้อมกับการเปลี่ยนเฟสที่ –180 °คุณสมบัติที่ไม่ใช่เชิงเส้นของอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่ (opamp) จะลดอัตราขยายลงเป็น 1

เมื่อความไม่เป็นเชิงเส้นเกิดขึ้น opamp จะแกว่งใกล้ระดับการจ่าย (+/-) อย่างใดอย่างหนึ่งเนื่องจากการลดลงของการตัดหรือความอิ่มตัวของอัตราขยายของอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่ (ทรานซิสเตอร์)

สิ่งที่แปลกอย่างหนึ่งก็คือวงจรที่ออกแบบมาไม่ดีนั้นต้องการกำไรเล็กน้อยเกินกว่า 1 ในระหว่างการผลิต

ในทางกลับกันอัตราขยายที่สูงขึ้นจะนำไปสู่การบิดเบือนจำนวนมากขึ้นสำหรับคลื่นไซน์เอาท์พุต

ในกรณีที่กำไรน้อยการสั่นจะหยุดลงภายใต้สถานการณ์ที่ไม่เอื้ออำนวยอย่างยิ่ง

เมื่ออัตราขยายสูงมากรูปคลื่นเอาท์พุตจะคล้ายกับคลื่นสี่เหลี่ยมมากกว่าคลื่นไซน์

ความผิดเพี้ยนมักจะเป็นผลทันทีจากการที่แอมพลิฟายเออร์ขับมากเกินไป

ดังนั้นควรได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้ออสซิลเลเตอร์ที่มีความผิดเพี้ยนต่ำ

Phase-shift oscillators สามารถแสดงความผิดเพี้ยนได้อย่างไรก็ตามอาจมีความสามารถในการรับแรงดันเอาต์พุตที่มีความผิดเพี้ยนต่ำโดยใช้ส่วน RC แบบเรียงซ้อนที่มีบัฟเฟอร์

เนื่องจากส่วน RC ที่เรียงซ้อนกันทำงานเป็นตัวกรองการบิดเบือน นอกจากนี้ออสซิลเลเตอร์กะระยะที่บัฟเฟอร์ยังพบความผิดเพี้ยนต่ำเนื่องจากการได้รับได้รับการจัดการและสมดุลระหว่างบัฟเฟอร์อย่างสม่ำเสมอ

สรุป

จากการอภิปรายข้างต้นเราได้เรียนรู้หลักการทำงานพื้นฐานของออสซิลเลเตอร์ opamp และเข้าใจเกี่ยวกับเกณฑ์พื้นฐานในการบรรลุการสั่นอย่างต่อเนื่อง ในโพสต์ถัดไปเราจะเรียนรู้เกี่ยวกับ ออสซิลเลเตอร์ Wien-bridge .