Un oscil·lador de desplaçament de fase és un circuit oscil·lador dissenyat per generar una sortida d’ona sinusoïdal. Funciona amb un sol element actiu com un BJT o un amplificador operatiu configurat en un mode d'amplificador inversor.
La disposició del circuit crea una retroalimentació des de la sortida fins a l'entrada mitjançant un circuit RC (resistència / condensador) disposat en una xarxa tipus escala. La introducció d’aquest feedback provoca un “desplaçament” positiu en la fase de la sortida de l’amplificador de 180 graus a la freqüència de l’oscil·lador.
La magnitud del canvi de fase creat per la xarxa RC depèn de la freqüència. Les freqüències més altes dels oscil·ladors creen una major quantitat de canvi de fase.
Les següents explicacions exhaustives ens ajudaran a conèixer el concepte amb més detalls.
A la publicació anterior vam conèixer les consideracions crítiques necessàries durant el disseny d’un oscil·lador de desplaçament de fase basat en un amplificador operatiu. En aquest post el seguirem més endavant i sabrem més sobre el tipus d’oscil·ladors de desplaçament de fase i com calcular els paràmetres implicats mitjançant fórmules.
Circuit Wien-Bridge
El següent diagrama mostra la configuració del circuit de Wien-bridge.
Aquí, podem trencar el bucle a l'entrada positiva de l'opamp i calcular el senyal de retorn mitjançant la següent equació 2:
Quan ⍵ = 2πpf = 1 / RC , el feedback està en fase (feedback positiu), amb un guany de 1/3 .
Per tant, les oscil·lacions necessiten que el circuit opamp tingui un guany de 3.
Quan R F = 2R G , el guany de l'amplificador és 3 i l'oscil·lació s'inicia a f = 1 / 2πRC.
En el nostre experiment, el circuit oscil·lava a 1,65 kHz en lloc d’1,59 kHz mitjançant els valors de peça indicats a la figura 3, però amb una distorsió aparent.
La següent figura següent mostra un circuit de pont de Wien retroalimentació no lineal .
Podem veure una làmpada RL la resistència del filament del qual es selecciona molt baixa, aproximadament el 50% del valor de resistència de retroalimentació de RF, ja que el corrent de la làmpada està definit per RF i RL.
La relació entre el corrent de la làmpada i la resistència de la làmpada és no lineal, ajuda a mantenir les variacions de tensió de sortida al nivell mínim.
També podeu trobar molts circuits que incorporen díodes en lloc del concepte d'element de retroalimentació no lineal explicat anteriorment.
L’ús d’un díode ajuda a disminuir el nivell de distorsió oferint un control suau de la tensió de sortida.
Tanmateix, si els mètodes anteriors no us són favorables, heu d’anar per mètodes AGC, cosa que ajuda de manera idèntica a obtenir una distorsió reduïda.
A la figura següent es mostra un oscil·lador Wien-bridge comú que utilitza un circuit AGC.
Aquí mostra l’ona sinusoïdal negativa mitjançant D1 i la mostra s’emmagatzema dins de C1.
R1 i R2 es calculen de manera que centra el biaix en Q1 per assegurar que (R G + R P1 ) és igual a R F / 2 amb la tensió de sortida esperada.
Si la tensió de sortida tendeix a augmentar, la resistència de Q1 augmenta i, per tant, disminueix el guany.
Al primer circuit oscil·lador de pont de Wien, es pot veure el subministrament de 0,833 volts aplicat al pin d'entrada opamp positiu. Això es va fer per tal de centeralitzar la tensió de repòs de sortida a VCC / 2 = 2,5 V.
Oscil·lador de desplaçament de fase (un opamp)
També es pot construir un oscil·lador de desplaçament de fase utilitzant només un opamp, tal com es mostra més amunt.
El pensament convencional és que en els circuits de desplaçament de fase les etapes estan aïllades i s’autogovernen les unes amb les altres. Això ens proporciona la següent equació:
Quan el desplaçament de fase de la secció individual és –60 °, el desplaçament de fase del bucle és = –180 °. Això passa quan ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC ja que la tangent 60 ° = 1,73.
El valor de β en aquest moment passa a ser (1/2)3, el que significa que el guany, A, ha de ser amb un nivell de 8 perquè el guany del sistema sigui amb un nivell a 1.
En aquest diagrama, la freqüència d'oscil·lació dels valors de peça indicats va ser de 3,76 kHz i no segons la freqüència d'oscil·lació calculada de 2,76 kHz.
A més, es va mesurar el guany necessari per iniciar l’oscil·lació en 26 i no segons el guany calculat de 8.
Aquest tipus d’exactituds es deuen fins a cert punt a imperfeccions dels components.
Tanmateix, l’aspecte que afecta més significativament es deu a les prediccions equivocades que les etapes de RC mai no s’impacten entre elles.
Aquesta configuració de circuit opamp únic solia ser força coneguda en els moments en què els components actius eren voluminosos i tenien un alt preu.
Avui en dia els amplificadors operatius són econòmics i compactes i estan disponibles amb quatre números dins d’un mateix paquet, per tant l’oscil·lador de canvi de fase opamp únic ha perdut el seu reconeixement.
Oscil·lador de desplaçament de fase tamponat
Podem veure un oscil·lador de desplaçament de fase tamponat a la figura anterior, que pulsa a 2,9 kHz en lloc de la freqüència ideal esperada de 2,76 kHz, i amb un guany de 8,33 enfront d’un guany ideal de 8.
Els buffers prohibeixen que les seccions RC s’afectin mútuament i, per tant, els oscil·ladors de desplaçament de fase tamponats poden funcionar més a prop de la freqüència i el guany calculats.
La resistència RG responsable de la configuració del guany, carrega la tercera secció RC, permetent que el quart opamp d'un quad opamp actuï com a memòria intermèdia d'aquesta secció RC. Això fa que el nivell d’eficiència assoleixi un valor ideal.
Podem extreure una ona sinusoïdal de baixa distorsió de qualsevol dels estadis de l'oscil·lador de desplaçament de fase, però l'ona sinusoïdal més natural es pot derivar de la sortida de l'última secció RC.
Normalment es tracta d’una unió de baixa intensitat d’alta impedància, per tant s’ha d’utilitzar aquí un circuit que tingui una etapa d’entrada d’alta impedància per evitar desviacions de càrrega i freqüència en resposta a variacions de càrrega.
Oscil·lador de quadratura
L'oscil·lador de quadratura és una altra versió de l'oscil·lador de desplaçament de fase, però les tres etapes RC es combinen de manera que cada secció suma 90 ° de desplaçament de fase.
Les sortides s’anomenen sinus i cosinus (quadratura) simplement perquè hi ha un desplaçament de fase de 90 ° entre les sortides opamp. El guany del bucle es determina mitjançant l’equació 4.
Amb ⍵ = 1 / RC , L'equació 5 es simplifica a 1√-180 ° , que condueix a oscil·lacions a ⍵ = 2πpf = 1 / RC.
El circuit experimentat va pulsar a 1,65 kHz en comparació amb el valor calculat de 1,59 kHz, i la diferència es deu principalment a variacions del valor de la peça.
Oscil·lador Bubba
L’oscil·lador Bubba que es mostra més amunt és una altra variant de l’oscil·lador de desplaçament de fase, però gaudeix de l’avantatge del paquet de quatre amplificadors operatius per produir algunes característiques distintives.
Quatre seccions RC requereixen un desplaçament de fase de 45 ° per a cada secció, cosa que significa que aquest oscil·lador inclou un d outstanding / dt excepcional per reduir les desviacions de freqüència.
Cadascuna de les seccions RC genera un desplaçament de fase a 45 °. És a dir, perquè tenim sortides de seccions alternatives, assegura sortides de quadratura de baixa impedància.
Sempre que s’extreu una sortida de cada opamp, el circuit produeix quatre ones sinusoïdals desplaçades de fase a 45 °. L'equació de bucle es pot escriure com:
Quan ⍵ = 1 / RCs , les equacions anteriors es redueixen a les equacions 7 i 8 següents.
El guany, A, hauria d’assolir el valor de 4 per iniciar una oscil·lació.
El circuit d’anàlisi oscil·lava a 1,76 kHz en oposició a la freqüència ideal de 1,72 kHz, mentre que el guany semblava ser de 4,17 en lloc del guany ideal de 4.
A causa d’un guany reduït A i amplificadors de corrent de baixa polarització, la resistència RG responsable de fixar el guany no carrega la secció RC final. Això garanteix la sortida de freqüència de l’oscil·lador més precisa.
Les ones sinusoïdals de distorsió molt baixa es podrien adquirir des de la unió de R i RG.
Sempre que es necessiten ones sinusoïdals de baixa distorsió a totes les sortides, el guany s'hauria de distribuir de manera equitativa entre tots els opamps.
L’entrada no inversora de l’ampli operatiu de guany està esbiaixada a 0,5 V per crear la tensió de sortida en repòs a 2,5 V. La distribució del guany necessita la polarització de la resta d’ampam, però segurament no té cap impacte en la freqüència d’oscil·lació
Conclusions
En la discussió anterior, vam entendre que els oscil·ladors de desplaçament de fase d'amplificador Op estaven restringits a l'extrem inferior de la banda de freqüències.
Això es deu al fet que els amplificadors operatius no tenen l’amplada de banda essencial per implementar un canvi de fase baix a freqüències més altes.
L’aplicació dels amplificadors operatius de retroalimentació de corrent moderns en circuits oscil·ladors sembla difícil, ja que són molt sensibles a la capacitat de retroalimentació.
Els amplificadors operatius de retroalimentació de voltatge es restringeixen a uns pocs 100 kHz ja que generen un desplaçament de fase excessiu.
L'oscil·lador Wien-bridge funciona amb un nombre reduït de peces i la seva estabilitat de freqüència és molt acceptable.
Però, reduir la distorsió en un oscil·lador de pont de Wien és menys fàcil que iniciar el propi procés d’oscil·lació.
Segurament l’oscil·lador de quadratura funciona amb un parell d’amplificadors operatius, però inclou una distorsió molt més gran. No obstant això, els oscil·ladors de desplaçament de fase, com l’oscil·lador Bubba, presenten una distorsió molt inferior juntament amb una estabilitat de freqüència decent.
Dit això, la funcionalitat millorada d’aquest tipus d’oscil·ladors de desplaçament de fase no resulta barata a causa dels costos més elevats de les parts implicades a les diferents etapes del circuit.
Llocs web relacionats
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
Anterior: Oscil·ladors d'amplificadors operatius Següent: Circuit d'amplificador de potència de 1000 a 2000 watts
