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

เฟส - กะออสซิลเลเตอร์เป็นวงจรออสซิลเลเตอร์ที่ออกแบบมาเพื่อสร้างเอาท์พุตคลื่นไซน์ มันทำงานด้วยองค์ประกอบที่ใช้งานเดียวเช่น BJT หรือแอมป์ op ที่กำหนดค่าในโหมดเครื่องขยายสัญญาณกลับด้าน

การจัดเรียงวงจรจะสร้างข้อเสนอแนะจากเอาต์พุตไปยังอินพุตโดยใช้วงจร RC (ตัวต้านทาน / ตัวเก็บประจุ) ที่จัดเรียงในเครือข่ายประเภทแลดเดอร์ การแนะนำข้อเสนอแนะนี้ทำให้เกิด 'การเปลี่ยน' ในเชิงบวกในเฟสของเอาต์พุตจากเครื่องขยายเสียง 180 องศาที่ความถี่ออสซิลเลเตอร์

ขนาดของการกะระยะที่สร้างโดยเครือข่าย RC ขึ้นอยู่กับความถี่ ความถี่ของออสซิลเลเตอร์ที่สูงขึ้นจะสร้างการกะระยะได้มากขึ้น

คำอธิบายที่ครอบคลุมต่อไปนี้จะช่วยให้เราเรียนรู้แนวคิดในรายละเอียดมากขึ้น

ใน โพสต์ก่อนหน้า เราได้เรียนรู้เกี่ยวกับข้อควรพิจารณาที่สำคัญที่จำเป็นในขณะที่ออกแบบออสซิลเลเตอร์กะเฟสแบบใช้แอมป์ ในโพสต์นี้เราจะดำเนินการต่อไปและทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับไฟล์ ประเภทของออสซิลเลเตอร์กะเฟส และวิธีคำนวณพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องผ่านสูตร

วงจร Wien-bridge

แผนภาพด้านล่างแสดงการตั้งค่าวงจร Wien-bridge

ที่นี่เราสามารถทำลายลูปที่อินพุตบวกของ opamp และคำนวณสัญญาณที่ส่งกลับโดยใช้สมการ 2 ต่อไปนี้:

เมื่อไหร่ ⍵ = 2πpf = 1 / RC ข้อเสนอแนะอยู่ในขั้นตอน (ข้อเสนอแนะในเชิงบวก) โดยได้รับ 1/3 .

ดังนั้นการสั่นจึงต้องการให้วงจร opamp มีอัตราขยายเป็น 3

เมื่อ R ฉ = 2R ช อัตราขยายของเครื่องขยายเสียงคือ 3 และการสั่นเริ่มต้นที่ f = 1 / 2πRC

ในการทดลองของเราวงจรสั่นที่ 1.65 kHz แทนที่จะเป็น 1.59 kHz โดยใช้ค่าชิ้นส่วนที่ระบุในรูปที่ 3 แต่มีความผิดเพี้ยนชัดเจน

รูปถัดไปด้านล่างแสดงให้เห็นถึงวงจร Wien-bridge ที่มี ข้อเสนอแนะที่ไม่ใช่เชิงเส้น .

เราสามารถเห็นหลอด RL ที่มีการเลือกความต้านทานของไส้หลอดไว้ต่ำมากประมาณ 50% ของค่าความต้านทานป้อนกลับของ RF เนื่องจากกระแสไฟถูกกำหนดโดย RF และ RL

ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสหลอดและความต้านทานของหลอดไฟไม่เป็นเชิงเส้นช่วยให้การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าขาออกอยู่ในระดับต่ำสุด

นอกจากนี้คุณยังอาจพบวงจรจำนวนมากที่รวมไดโอดแทนที่จะเป็นแนวคิดองค์ประกอบข้อเสนอแนะแบบไม่เชิงเส้นที่อธิบายไว้ข้างต้น

การใช้ไดโอดช่วยลดระดับความผิดเพี้ยนโดยการควบคุมแรงดันไฟฟ้าขาออกที่นุ่มนวล

อย่างไรก็ตามหากวิธีการข้างต้นไม่เป็นที่ชื่นชอบสำหรับคุณคุณต้องใช้วิธี AGC ซึ่งจะช่วยลดความผิดเพี้ยนได้เช่นเดียวกัน

ออสซิลเลเตอร์ Wien-bridge ทั่วไปที่ใช้วงจร AGC จะแสดงในรูปต่อไปนี้

ที่นี่จะสุ่มตัวอย่างคลื่นไซน์ลบโดยใช้ D1 และตัวอย่างจะถูกเก็บไว้ใน C1

R1 และ R2 ได้รับการคำนวณเพื่อให้ความเอนเอียงอยู่ที่ Q1 เพื่อให้แน่ใจว่า (R ช + ร คำถามที่ 1 ) เท่ากับ R ฉ / 2 ด้วยแรงดันไฟฟ้าขาออกที่คาดไว้

หากแรงดันไฟฟ้าขาออกมีแนวโน้มสูงขึ้นความต้านทานของ Q1 จะเพิ่มขึ้นส่งผลให้กำไรลดลง

ในวงจรออสซิลเลเตอร์สะพาน Wien ตัวแรกสามารถมองเห็นแหล่งจ่าย 0.833 โวลต์ที่ขาอินพุต opamp บวก สิ่งนี้ทำขึ้นเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าดับที่ VCC / 2 = 2.5 V.

Phase-shift oscillator (หนึ่ง opamp)

นอกจากนี้ยังสามารถสร้างออสซิลเลเตอร์แบบกะระยะโดยใช้ opamp ตัวเดียวดังที่แสดงด้านบน

ความคิดแบบเดิมคือในวงจรกะระยะขั้นตอนต่างๆจะแยกออกจากกันและมีการปกครองตนเองซึ่งกันและกัน สิ่งนี้ทำให้เราได้สมการต่อไปนี้:

เมื่อการเลื่อนเฟสของแต่ละส่วนเป็น –60 °การเลื่อนเฟสของลูปคือ = –180 ° สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อ ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC ตั้งแต่สัมผัส 60 ° = 1.73

ค่าของβในขณะนี้เป็น (1/2)³ซึ่งหมายความว่ากำไร A จะต้องมีระดับ 8 เพื่อให้ระบบได้รับด้วยระดับที่ 1

ในแผนภาพนี้พบว่าความถี่ของการสั่นของค่าชิ้นส่วนที่ระบุคือ 3.76 kHz และไม่เป็นไปตามความถี่การสั่นที่คำนวณได้ที่ 2.76 kHz

ยิ่งไปกว่านั้นกำไรที่จำเป็นในการเริ่มต้นการสั่นวัดได้เป็น 26 และไม่เป็นไปตามการคำนวณที่ได้จาก 8

ความไม่ถูกต้องประเภทนี้มีระดับเนื่องจากความไม่สมบูรณ์ของส่วนประกอบ

อย่างไรก็ตามลักษณะที่ส่งผลกระทบที่สำคัญที่สุดเกิดจากการคาดการณ์ที่ไม่ถูกต้องว่าระยะ RC ไม่ส่งผลกระทบต่อกัน

การตั้งค่าวงจร opamp เดียวนี้เคยเป็นที่รู้จักกันดีในช่วงเวลาที่ส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่มีขนาดใหญ่และราคาสูง

ปัจจุบันออปแอมป์มีราคาประหยัดและมีขนาดกะทัดรัดและมีให้เลือกใช้ด้วยตัวเลขสี่ตัวภายในแพ็คเกจเดียวดังนั้นออสซิลเลเตอร์แบบเปลี่ยนเฟสเดียวของ opamp จึงสูญเสียการจดจำไปในที่สุด

ออสซิลเลเตอร์กะเฟสบัฟเฟอร์

เราสามารถเห็นออสซิลเลเตอร์กะระยะบัฟเฟอร์ได้ในรูปด้านบนโดยมีการเต้นเป็นจังหวะที่ 2.9 kHz แทนที่จะเป็นความถี่ในอุดมคติที่คาดไว้ที่ 2.76 kHz และมีอัตราขยาย 8.33 เมื่อเทียบกับอัตราขยายในอุดมคติที่ 8

บัฟเฟอร์ห้ามไม่ให้ส่วน RC ส่งผลกระทบต่อกันดังนั้นออสซิลเลเตอร์กะเฟสบัฟเฟอร์จึงสามารถทำงานได้ใกล้เคียงกับความถี่และอัตราขยายที่คำนวณได้

ตัวต้านทาน RG ที่รับผิดชอบการตั้งค่าอัตราขยายโหลดส่วน RC ที่สามทำให้ opamp ตัวที่ 4 ใน quad opamp ทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์สำหรับส่วน RC นี้ ซึ่งทำให้ระดับประสิทธิภาพถึงค่าที่เหมาะสม

เราสามารถดึงคลื่นไซน์ที่มีความผิดเพี้ยนต่ำออกจากสเตจเฟส - ชิฟเตอร์ออสซิลเลเตอร์ใดก็ได้ แต่คลื่นไซน์ที่เป็นธรรมชาติที่สุดสามารถหาได้จากเอาต์พุตของส่วน RC สุดท้าย

โดยปกติจะเป็นทางแยกกระแสต่ำที่มีความต้านทานสูงดังนั้นจึงต้องใช้วงจรที่มีขั้นตอนอินพุตอิมพีแดนซ์สูงที่นี่เพื่อหลีกเลี่ยงการโหลดและการเบี่ยงเบนความถี่ในการตอบสนองต่อรูปแบบการโหลด

ออสซิลเลเตอร์กำลังสอง

ออสซิลเลเตอร์กำลังสองเป็นอีกเวอร์ชันหนึ่งของออสซิลเลเตอร์แบบกะระยะ แต่ระยะ RC ทั้งสามจะรวมกันในลักษณะที่ทุกส่วนเพิ่มการกะระยะ 90 °

เอาต์พุตมีชื่อว่าไซน์และโคไซน์ (พื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส) เนื่องจากมีการเปลี่ยนเฟส 90 °ระหว่างเอาต์พุต opamp อัตราขยายของลูปถูกกำหนดผ่านสมการ 4

ด้วย ⍵ = 1 / RC , สมการ 5 ลดความซับซ้อนเป็น 1√ - 180 ° ซึ่งนำไปสู่การแกว่งที่ ⍵ = 2πpf = 1 / RC

วงจรที่ทดลองจะกะพริบที่ 1.65 kHz เมื่อเทียบกับค่าที่คำนวณได้ 1.59 kHz และความแตกต่างส่วนใหญ่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงค่าชิ้นส่วน

ออสซิลเลเตอร์ Bubba

ออสซิลเลเตอร์ Bubba ที่แสดงด้านบนเป็นอีกรูปแบบหนึ่งของออสซิลเลเตอร์แบบกะเฟส แต่ได้รับประโยชน์จากแพ็กเกจ quad op-amp เพื่อสร้างคุณสมบัติที่โดดเด่นบางประการ

ส่วน RC สี่ส่วนเรียกการกะระยะ 45 °สำหรับแต่ละส่วนซึ่งหมายความว่าออสซิลเลเตอร์นี้มาพร้อมกับdΦ / dt ที่โดดเด่นเพื่อลดการเบี่ยงเบนความถี่

แต่ละส่วน RC สร้างการกะระยะ 45 ° ความหมายเนื่องจากเรามีเอาต์พุตจากส่วนทางเลือกทำให้มั่นใจได้ว่าเอาต์พุตกำลังสองที่มีความต้านทานต่ำ

เมื่อใดก็ตามที่เอาท์พุตถูกแยกออกจาก opamp แต่ละตัววงจรจะสร้างคลื่นไซน์แบบกะระยะ 45 °สี่ตัว สมการลูปสามารถเขียนเป็น:

เมื่อไหร่ ⍵ = 1 / RCs สมการข้างต้นจะย่อขนาดเป็นสมการที่ 7 และ 8 ต่อไปนี้

กำไร A ควรมีค่าเท่ากับ 4 เพื่อเริ่มการสั่น

วงจรวิเคราะห์แกว่งที่ 1.76 kHz เมื่อเทียบกับความถี่ในอุดมคติ 1.72 kHz ในขณะที่อัตราขยายดูเหมือนจะเป็น 4.17 แทนที่จะเป็นอัตราขยายในอุดมคติที่ 4

เนื่องจากกำไรที่ลดลง ถึง และออปแอมป์กระแสไบแอสต่ำตัวต้านทาน RG ที่รับผิดชอบในการแก้ไขอัตราขยายจะไม่โหลดส่วน RC สุดท้าย สิ่งนี้รับประกันเอาต์พุตความถี่ออสซิลเลเตอร์ที่แม่นยำที่สุด

คลื่นไซน์ที่มีความผิดเพี้ยนต่ำมากสามารถรับได้จากทางแยกของ R และ RG

เมื่อใดก็ตามที่ต้องการคลื่นไซน์ที่มีความผิดเพี้ยนต่ำในเอาท์พุตทั้งหมดกำไรที่ได้จริงควรจะกระจายเท่า ๆ กันระหว่าง opamps ทั้งหมด

อินพุทที่ไม่กลับด้านของตัวขยายออปแอมป์จะมีความเอนเอียงที่ 0.5 V เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าขาออกที่หยุดนิ่งที่ 2.5 V การกระจายการรับจำเป็นต้องมีการให้น้ำหนักของ opamps อื่น ๆ แต่ก็ไม่มีผลกระทบใด ๆ กับความถี่ของการสั่น

ข้อสรุป

ในการสนทนาข้างต้นเราเข้าใจว่าออสซิลเลเตอร์การเปลี่ยนเฟสของแอมป์ออสซิลเลเตอร์ถูก จำกัด ไว้ที่ส่วนล่างสุดของย่านความถี่

นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าออปแอมป์ไม่มีแบนด์วิดท์ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานกะระยะต่ำที่ความถี่สูงกว่า

การใช้ออปแอมป์กระแสตอบรับกระแสที่ทันสมัยในวงจรออสซิลเลเตอร์ดูยากเนื่องจากสิ่งเหล่านี้มีความไวต่อความจุป้อนกลับมาก

ออปแอมป์ตอบรับแรงดันไฟฟ้าถูก จำกัด ไว้ที่ 100 kHz เพียงไม่กี่ตัวเนื่องจากสร้างการกะระยะมากเกินไป

ออสซิลเลเตอร์ Wien-bridge ทำงานโดยใช้ชิ้นส่วนจำนวนน้อยและความเสถียรของความถี่เป็นที่ยอมรับได้มาก

แต่การปรับลดความผิดเพี้ยนในออสซิลเลเตอร์ Wien-bridge นั้นง่ายกว่าการเริ่มกระบวนการสั่นด้วยตัวเอง

ออสซิลเลเตอร์กำลังสองจะทำงานโดยใช้ออปแอมป์สองสามตัว แต่จะมีการบิดเบือนที่สูงกว่ามาก อย่างไรก็ตามออสซิลเลเตอร์แบบกะเฟสเช่น Bubba oscillator จะมีการบิดเบือนที่ต่ำกว่ามากพร้อมกับความเสถียรของความถี่ที่เหมาะสม

เมื่อพูดอย่างนี้การทำงานที่เพิ่มขึ้นของออสซิลเลเตอร์แบบกะเฟสประเภทนี้ไม่ได้มีราคาถูกเนื่องจากค่าใช้จ่ายที่สูงขึ้นของชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้องในขั้นตอนต่างๆของวงจร

เว็บไซต์ที่เกี่ยวข้อง
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