Oscil·ladors d'amplificador operatiu

Un oscil·lador construït amb un amplificador operatiu com a element actiu s’anomena oscil·lador amplificador operatiu.

En aquest post aprenem a dissenyar oscil·ladors basats en opamp i sobre els molts factors crítics necessaris per generar un disseny oscil·lador estable.

Els oscil·ladors basats en amplificadors d’Op s’utilitzen normalment per generar formes d’ona periòdiques i precises com ara quadrat, dents de serra, triangulars i sinusoïdals.

Generalment funcionen mitjançant un sol dispositiu actiu, o una làmpada o un vidre, i associats per uns pocs dispositius passius com resistències, condensadors i inductors, per generar la sortida.

Categories d'oscil·ladors d'amplificadors operatius

Trobareu un parell de grups primaris d’oscil·ladors: relaxació i sinusoïdal.

Els oscil·ladors de relaxació produeixen les formes d’ona triangulars, de dents de serra i altres formes no sinuoïdals.

Els oscil·ladors sinusoïdals incorporen amplificadors operatius que utilitzen parts addicionals acostumades a crear oscil·lacions, o cristalls que tenen generadors d'oscil·lació integrats.

Els oscil·ladors d'ona sinusoïdal s'utilitzen com a fonts o formes d'ona de prova en nombroses aplicacions de circuits.

Un oscil·lador sinusoïdal pur presenta només una freqüència individual o bàsica: idealment sense cap harmònic.

Com a resultat, una ona sinusoïdal podria ser l'entrada a un circuit, utilitzant harmònics de sortida calculats per fixar el nivell de distorsió.

Les formes d'ona dels oscil·ladors de relaxació es produeixen a través d'ones sinusoïdals que es sumen per proporcionar la forma estipulada.

Els oscil·ladors són útils per produir impulsos consistents que s’utilitzen com a referència en aplicacions com l’àudio, els generadors de funcions, els sistemes digitals i els sistemes de comunicació.

Oscil·ladors d’ona sinusoidal

Els oscil·ladors sinusoïdals comprenen amplificadors operatius que fan servir circuits RC o LC que contenen freqüències d’oscil·lació ajustables o cristalls que posseeixen una freqüència d’oscil·lació predeterminada.

La freqüència i l'amplitud de l'oscil·lació s'estableixen mitjançant la selecció de parts actives i passives connectades a l'ampli amplificador operacional.

Els oscil·ladors basats en amplificadors operatius són circuits creats per ser inestables. No és el tipus que de vegades es desenvolupa o es dissenya inesperadament al laboratori, sinó els tipus que es construeixen deliberadament per continuar en un estat inestable o oscil·latori.

Els oscil·ladors d'amplificadors operatius estan lligats a l'extrem inferior del rang de freqüències a causa del fet que els opamps no tenen l'amplada de banda necessària per implementar el canvi de fase baix a freqüències altes.

Les opamps de retroalimentació de la tensió es restringeixen a un rang de kHz baix ja que el seu pol principal de bucle obert sol ser tan petit com 10 Hz.

Els moderns opamps de retroalimentació actual estan dissenyats amb una amplada de banda significativament més àmplia, però són increïblement difícils d’implementar en circuits oscil·ladors, ja que són sensibles a la capacitat de retroalimentació.

Els oscil·ladors de cristall es recomanen en aplicacions d'alta freqüència en un rang de centenars de MHz.

Requisits bàsics

En el tipus més bàsic, també anomenat tipus canònic, s’utilitza un mètode de retroalimentació negativa.

Això es converteix en el requisit previ per iniciar l'oscil·lació tal com es mostra a la figura 1. Aquí veiem el diagrama de blocs per a aquest mètode en què el VIN es fixa com a tensió d'entrada.

Vout significa la sortida del bloc A.

β denota el senyal, també anomenat factor de retroalimentació, que es torna a subministrar a la unió sumant.

E significa l'element d'error equivalent a la suma del factor de retroalimentació i la tensió d'entrada.

Les equacions resultants d'un circuit oscil·lador es poden veure a continuació. La primera equació és la que defineix el voltatge de sortida. L’equació 2 dóna el factor d’error.

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

E = Vin + βVout -------------------------- (2)

Eliminar el factor d’error E de les equacions anteriors dóna

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

Extreure els elements de Vout dóna

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

La reorganització dels termes de l’equació anterior ens proporciona la següent fórmula clàssica de retroalimentació mitjançant l’equació # 5

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

Els oscil·ladors poden funcionar sense l'ajut d'un senyal extern. Més aviat, una part del pols de sortida s’utilitza com a entrada a través d’una xarxa de retroalimentació.

S'inicia una oscil·lació quan la retroalimentació no aconsegueix un estat estable estable. Això passa perquè l'acció de transferència no es compleix.

Aquesta inestabilitat es produeix quan el denominador de l'equació # 5 esdevé zero, com es mostra a continuació:

1 + Aβ = 0 o Aβ = -1.

El fonamental en dissenyar un circuit oscil·lador és assegurar Aβ = -1. Aquesta condició s'anomena Criteri de Barkhausen .

Per satisfer aquesta condició, es fa essencial que el valor de guany del bucle es mantingui en unitat mitjançant un desplaçament de fase corresponent de 180 graus. Ho comprèn el signe negatiu de l’equació.

Els resultats anteriors es poden expressar alternativament com es mostra a continuació mitjançant símbols de l'àlgebra complexa:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Tot i dissenyar un oscil·lador de retroalimentació positiva, l'equació anterior es pot escriure com:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° cosa que fa que el terme Aβ de l’equació # 5 sigui negatiu.

Quan Aβ = -1, la sortida de retroalimentació tendeix a desplaçar-se cap a una tensió infinita.

Quan s’acosta als nivells màxims de subministrament + o -, els dispositius actius del nivell de guany en els circuits canvien.

Això fa que el valor d'A es converteixi en Aβ ≠ -1, ralentitzant l'enfocament de voltatge infinit de retroalimentació, acabant per aturar-lo.

Aquí podem trobar una de les tres possibilitats:

1. La saturació no lineal o el tall que fan que l’oscil·lador s’estabilitzi i es bloquegi.
2. La càrrega inicial que obliga el sistema a saturar-se durant un període molt llarg abans de tornar a ser lineal i comença a apropar-se al carril d'alimentació oposat.
3. El sistema continua estant a la regió lineal i reverteix cap al carril d'alimentació oposat.

En el cas de la segona possibilitat, obtenim una oscil·lació immensament distorsionada, generalment en forma d’ones quasi quadrades.

Què és el canvi de fase en oscil·ladors

El desplaçament de fase de 180 ° a l’equació Aβ = 1 ㄥ -180 ° es crea a través dels components actius i passius.

Igual que qualsevol circuit de retroalimentació dissenyat correctament, els oscil·ladors es construeixen en funció del desplaçament de fase dels components passius.

Això es deu al fet que els resultats de les parts passives són precisos i pràcticament sense derivacions. El canvi de fase adquirit a partir de components actius és majoritàriament imprecís a causa de molts factors.

Pot derivar amb canvis de temperatura, pot mostrar una tolerància inicial àmplia i els resultats poden dependre de la característica del dispositiu.

S’escullen amplificadors operatius per assegurar-se que proporcionen un desplaçament de fase mínim a la freqüència de l’oscil·lació.

Un circuit RL (resistència-inductor) o RC (resistència-caapcitor) d’un pol proporciona aproximadament un desplaçament de fase de 90 ° per pol.

Atès que és necessari 180 ° per a l’oscil·lació, s’utilitzen un mínim de dos pols durant el disseny d’un oscil·lador.

Un circuit LC posseeix 2 pols, per tant, proporciona un desplaçament de fase al voltant de 180 ° per a cada parell de pols.

Tanmateix, no parlarem de dissenys basats en LC aquí a causa de la implicació del conjunt d’inductors de baixa freqüència que poden ser cars, voluminosos i indesitjables.

Els oscil·ladors LC estan dissenyats per a aplicacions d’alta freqüència, que poden ser superiors al rang de freqüència dels opamps basats en el principi de retroalimentació de voltatge.

Aquí podeu trobar que la mida, el pes i el cost de l’inductor no tenen molta importància.

El desplaçament de fase determina la freqüència d’oscil·lació ja que el circuit impulsa a la freqüència que obté un desplaçament de fase de 180 degrats. El df / dt o la velocitat a la qual el canvi de fase canvia amb la freqüència, decideix l'estabilitat de la freqüència.

Quan s’utilitzen seccions de memòria intermèdia en cascada en forma d’opamps, que ofereixen una impedància d’entrada i baixa sortida, el desplaçament de fase es multiplica pel nombre de seccions, n (vegeu la figura següent).

Malgrat el fet que dues seccions RC en cascada presenten un desplaçament de fase de 180 °, és possible que la dФ / dt sigui mínima a la freqüència de l'oscil·lador.

Com a resultat, ofereixen oscil·ladors construïts amb dues seccions RC en cascada inadequat estabilitat de freqüència.

Tres seccions de filtre RC en cascada idèntiques proporcionen un augment de dФ / dt, cosa que permet a l’oscil·lador una estabilitat de freqüència millorada.

Tanmateix, introduir una quarta secció RC crea un oscil·lador amb un excepcional dФ / dt.

Per tant, això es converteix en una configuració d'oscil·lador extremadament estable.

Quatre seccions són el rang preferit principalment perquè els opamps estan disponibles en paquets quad.

A més, l’oscil·lador de quatre seccions produeix 4 ones sinusoïdals que es desplacen de 45 ° en funció de les referències, cosa que significa que aquest oscil·lador permet obtenir senus / cosinus o ones sinusoidals de quadratura.

Utilitzant cristalls i ressonadors ceràmics

Els ressonadors de vidre o ceràmica ens proporcionen els oscil·ladors més estables. Això es deu al fet que els ressonadors tenen un dФ / dt increïblement alt com a resultat de les seves propietats no lineals.

Els ressonadors s’apliquen en oscil·ladors d’alta freqüència, tot i que els oscil·ladors de baixa freqüència normalment no funcionen amb els ressonadors a causa de les limitacions de mida, pes i cost.

Trobareu que els amplificadors operatius no s’utilitzen amb els oscil·ladors de ressonadors ceràmics, principalment perquè els opamps inclouen un ample de banda reduït.

Els estudis demostren que és menys costós construir un oscil·lador de cristall d'alta freqüència i reduir la sortida per obtenir una freqüència baixa en lloc d'incorporar un ressonador de baixa freqüència.

Guany en oscil·ladors

El guany d’un oscil·lador ha de coincidir un a la freqüència d’oscil·lació. El disseny es manté estable una vegada que el guany és superior a 1 i les oscil·lacions s’aturen.

Tan bon punt el guany arriba a 1 junt amb un desplaçament de fase de –180 °, la propietat no lineal del dispositiu actiu (opamp) baixa el guany a 1.

Quan es produeix no linealitat, l’opamp gira a prop dels nivells de subministrament (+/-) a causa de la reducció del tall o de la saturació del guany del dispositiu actiu (transistor).

Una cosa estranya és que els circuits mal dissenyats realment exigeixen guanys marginals superiors a 1 durant la seva producció.

D'altra banda, un guany més gran condueix a una major quantitat de distorsió de l'ona sinusoïdal de sortida.

En els casos en què el guany és mínim, les oscil·lacions cessen en circumstàncies extremes desfavorables.

Quan el guany és molt alt, la forma d'ona de sortida sembla ser molt més similar a una ona quadrada en lloc d'una ona sinusoïdal.

La distorsió sol ser una conseqüència immediata d’un excés de guany sobre-conduint l’amplificador.

Per tant, el guany s'ha de governar amb precaució per aconseguir oscil·ladors de baixa distorsió.

Els oscil·ladors de desplaçament de fase poden mostrar distorsions, tot i que poden tenir la capacitat d’obtenir tensions de sortida de baixa distorsió mitjançant seccions RC en cascada emmagatzemades.

Això es deu al fet que les seccions RC en cascada es comporten com a filtres de distorsió. A més, els oscil·ladors de desplaçament de fase emmagatzemats experimenten una baixa distorsió ja que el guany és gestionat i equilibrat uniformement entre els amortidors.

Conclusió

A partir de la discussió anterior, vam aprendre el principi bàsic de funcionament dels oscil·ladors opamp i vam entendre els criteris fonamentals per aconseguir oscil·lacions sostingudes. A la propera publicació en coneixerem Oscil·ladors Wien-bridge .