Op amp Pengayun

Pembuatan pengayun menggunakan op amp sebagai elemen aktif dipanggil pengayun op amp.

Dalam posting ini kita belajar bagaimana merancang pengayun berdasarkan opamp, dan mengenai banyak faktor kritikal yang diperlukan untuk menghasilkan reka bentuk pengayun stabil.

Pengayun berasaskan op amp biasanya digunakan untuk menghasilkan bentuk gelombang berkala yang tepat seperti segi empat sama, gigi gergaji, segitiga, dan sinusoidal.

Umumnya mereka beroperasi menggunakan satu alat aktif, atau lampu, atau kristal, dan dihubungkan oleh beberapa peranti pasif seperti perintang, kapasitor, dan induktor, untuk menghasilkan output.

Kategori Pengayun Op-amp

Anda akan menemui beberapa kumpulan pengayun utama: relaksasi dan sinusoidal.

Pengayun relaksasi menghasilkan bentuk gelombang segitiga, gigi gergaji dan lain-lain.

Pengayun sinusoidal menggabungkan op-amp menggunakan bahagian tambahan yang terbiasa membuat ayunan, atau kristal yang mempunyai penjana ayunan terbina dalam.

Pengayun gelombang sinus digunakan sebagai sumber atau bentuk gelombang ujian dalam banyak aplikasi litar.

Pengayun sinusoidal tulen hanya mempunyai frekuensi individu atau asas: idealnya tanpa harmonik.

Akibatnya, gelombang sinusoidal dapat menjadi input ke rangkaian, menggunakan harmonik output yang dihitung untuk memperbaiki tahap distorsi.

Bentuk gelombang dalam pengayun relaksasi dihasilkan melalui gelombang sinusoidal yang dijumlahkan untuk memberikan bentuk yang ditetapkan.

Pengayun berguna untuk menghasilkan impuls yang konsisten yang digunakan sebagai rujukan dalam aplikasi seperti audio, penjana fungsi, sistem digital, dan sistem komunikasi.

Pengayun Gelombang Sinus

Pengayun sinusoidal terdiri daripada op-amp menggunakan rangkaian RC atau LC yang mengandungi frekuensi ayunan boleh laras, atau kristal yang mempunyai frekuensi ayunan yang telah ditentukan.

Kekerapan dan amplitud ayunan ditentukan oleh pemilihan bahagian pasif dan aktif yang disambungkan dengan op-amp pusat.

Pengayun berasaskan op-amp adalah litar yang dibuat agar tidak stabil. Bukan jenis yang kadang-kadang dikembangkan atau direka secara tidak dijangka di makmal, tetapi jenis yang sengaja dibina untuk terus berada dalam keadaan tidak stabil atau berayun.

Pengayun op-amp diikat pada hujung bawah julat frekuensi kerana fakta bahawa opamps tidak mempunyai lebar jalur yang diperlukan untuk melaksanakan peralihan fasa rendah pada frekuensi tinggi.

Opamp voltan-maklum balas dihadkan pada julat kHz rendah kerana tiang gelung terbuka utama mereka seluas 10 Hz.

Opamp maklum balas semasa moden dirancang dengan lebar jalur yang jauh lebih luas, tetapi ini sangat sukar dilaksanakan dalam litar pengayun kerana sensitif terhadap kapasiti maklum balas.

Pengayun kristal disarankan dalam aplikasi frekuensi tinggi dalam julat beratus-ratus MHz.

Keperluan Asas

Dalam jenis yang paling asas, juga disebut jenis kanonik digunakan kaedah maklum balas negatif.

Ini menjadi prasyarat untuk memulakan ayunan seperti yang ditunjukkan pada Rajah 1. Di sini kita melihat gambarajah blok untuk kaedah sedemikian di mana VIN terpaku sebagai voltan masukan.

Vout menandakan keluaran dari blok A.

β menunjukkan isyarat, juga disebut faktor maklum balas, yang dibekalkan kembali ke persimpangan penjumlahan.

E menandakan elemen kesalahan setara dengan jumlah faktor maklum balas dan voltan input.

Persamaan yang terhasil untuk litar pengayun dapat dilihat di bawah. Persamaan pertama adalah yang penting yang menentukan voltan keluaran. Persamaan 2 memberikan faktor kesalahan.

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

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

Menghilangkan faktor kesalahan E dari persamaan di atas memberi

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

Mengekstrak unsur dalam Vout memberi

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

Menyusun semula istilah dalam persamaan di atas memberikan kita formula maklum balas klasik berikut melalui persamaan # 5

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

Pengayun dapat berfungsi tanpa bantuan isyarat luaran. Sebaliknya, sebahagian dari pulsa output digunakan sebagai input melalui jaringan feeedback.

Getaran dimulakan apabila maklum balas gagal mencapai keadaan stabil yang stabil. Ini berlaku kerana tindakan perpindahan tidak dipenuhi.

Ketidakstabilan ini berlaku apabila penyebut persamaan # 5 menjadi sifar, seperti yang ditunjukkan di bawah:

1 + Aβ = 0, atau Aβ = -1.

Perkara penting semasa merancang litar pengayun adalah memastikan Aβ = -1. Keadaan ini dipanggil Kriteria Barkhausen .

Untuk memenuhi syarat ini, adalah penting bahawa nilai perolehan gelung tetap bersatu melalui peralihan fasa 180 darjah yang sesuai. Ini difahami oleh tanda negatif dalam persamaan.

Hasil di atas dapat dinyatakan secara alternatif seperti yang ditunjukkan di bawah menggunakan simbol dari Algebra kompleks:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Semasa merancang pengayun maklum balas positif, persamaan di atas dapat ditulis sebagai:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° yang menjadikan istilah Aβ dalam persamaan # 5 negatif.

Apabila Aβ = -1 output maklum balas cenderung bergerak ke arah voltan yang tidak terhingga.

Apabila ini menghampiri tahap maksimum + atau - bekalan, alat aktif tahap keuntungan di litar berubah.

Ini menyebabkan nilai A menjadi Aβ ≠ -1, melambatkan pendekatan voltan tak terhingga maklum balas, akhirnya menghentikannya.

Di sini. Kita mungkin dapati salah satu daripada tiga kemungkinan berlaku:

1. Ketepuan atau pemotongan tidak linear menyebabkan pengayun stabil dan terkunci.
2. Caj awal yang memaksa sistem untuk jenuh untuk jangka masa yang lama sebelum kembali menjadi linear dan mula menghampiri rel bekalan yang bertentangan.
3. Sistem ini terus berada di kawasan linier, dan beralih ke rel bekalan yang bertentangan.

Sekiranya terdapat kemungkinan kedua, kita mendapat ayunan yang sangat terdistorsi, umumnya dalam bentuk gelombang kuasi persegi.

Apakah fasa peralihan pada pengayun

Peralihan fasa 180 ° dalam persamaan Aβ = 1 ㄥ -180 ° dibuat melalui komponen aktif dan pasif.

Sama seperti litar maklum balas yang dirancang dengan betul, pengayun dibina berdasarkan peralihan fasa komponen pasif.

Ini kerana hasil dari bahagian pasif tepat dan praktikal bebas drift. Peralihan fasa yang diperoleh daripada komponen aktif kebanyakannya tidak tepat kerana banyak faktor.

Ini mungkin melayang dengan perubahan suhu, mungkin menunjukkan toleransi awal yang luas, dan juga hasilnya bergantung pada ciri peranti.

Op amp dipilih untuk memastikan bahawa ia membawa peralihan fasa minimum ke frekuensi ayunan.

Litar kutub tunggal RL (resistor-induktor) atau RC (resistor-caapcitor) membawa kira-kira peralihan fasa 90 ° setiap tiang.

Oleh kerana 180 ° diperlukan untuk berayun, minimum dua tiang digunakan semasa merancang pengayun.

Litar LC mempunyai 2 kutub oleh itu, ia memberikan peralihan fasa sekitar 180 ° untuk setiap pasangan tiang.

Walau bagaimanapun, kami tidak akan membincangkan reka bentuk berasaskan LC di sini kerana tidak melibatkan alat induktor frekuensi rendah yang boleh menjadi mahal, besar dan tidak diingini.

Pengayun LC ditujukan untuk aplikasi frekuensi tinggi, yang mungkin melebihi dan melebihi julat frekuensi opamps berdasarkan prinsip maklum balas voltan.

Di sini anda mungkin mendapati saiz, berat, dan kos induktor tidak begitu penting.

Pergeseran fasa memastikan frekuensi ayunan sejak litar berdenyut pada frekuensi yang mengambil peralihan fasa 180 degress. Df / dt atau kadar perubahan fasa dengan frekuensi, menentukan kestabilan frekuensi.

Apabila bahagian RC buffered lata digunakan dalam bentuk opamps, menawarkan impedansi input tinggi dan output rendah, peralihan fasa berlipat ganda dengan jumlah bahagian, n (lihat Rajah di bawah).

Walaupun dua bahagian RC lata menunjukkan pergeseran fasa 180 °, anda mungkin mendapati dФ / dt minimum pada frekuensi pengayun.

Akibatnya pengayun dibina menggunakan dua tawaran bahagian RC bertingkat tidak mencukupi kestabilan frekuensi.

Tiga bahagian penapis RC bertingkat yang sama memberikan peningkatan dФ / dt, memungkinkan pengayun dengan kestabilan frekuensi yang ditingkatkan.

Walau bagaimanapun, memperkenalkan bahagian RC keempat membuat pengayun dengan cemerlang dФ / dt.

Oleh itu ini menjadi persediaan pengayun yang sangat stabil.

Empat bahagian menjadi julat pilihan terutamanya kerana opamp tersedia dalam pakej quad.

Selain itu, pengayun empat bahagian menghasilkan 4 gelombang sinus yang fasa 45 ° dialihkan dengan merujuk satu sama lain, yang bermaksud pengayun ini membolehkan anda mendapatkan gelombang sinus / kosinus atau kuadratur.

Menggunakan Kristal dan Resonator Seramik

Resonator kristal atau seramik memberi kita pengayun paling stabil. Ini kerana resonator hadir dengan dФ / dt yang sangat tinggi akibat sifat tidak liniernya.

Resonator digunakan pada pengayun frekuensi tinggi, namun pengayun frekuensi rendah biasanya tidak berfungsi dengan resonator kerana ukuran, berat, dan kekangan kos.

Anda akan mendapati bahawa op-amp tidak digunakan dengan pengayun resonator seramik terutamanya kerana opamps merangkumi lebar jalur yang berkurang.

Kajian menunjukkan bahawa lebih murah untuk membina pengayun kristal frekuensi tinggi dan mengurangkan output untuk memperoleh frekuensi rendah dan bukan menggabungkan resonator frekuensi rendah.

Keuntungan dalam pengayun

Keuntungan pengayun mesti sepadan satu pada frekuensi ayunan. Reka bentuknya akan stabil apabila keuntungannya lebih besar daripada 1 dan ayunan berhenti.

Sebaik sahaja kenaikan mencapai lebih dari 1 bersamaan dengan pergeseran fasa –180 °, sifat tak linear peranti aktif (opamp) menurunkan keuntungan menjadi 1.

Apabila tidak linear berlaku, opamp berayun berhampiran tahap bekalan (+/-) kerana pengurangan pemotongan atau ketepatan kenaikan alat aktif (transistor).

Satu perkara yang pelik adalah bahawa litar yang dirancang dengan buruk sebenarnya menuntut keuntungan marginal melebihi 1 semasa pengeluarannya.

Sebaliknya, kenaikan yang lebih tinggi membawa kepada jumlah penyelewengan yang lebih besar untuk gelombang sinus output.

Dalam kes di mana keuntungan minimum, ayunan berhenti dalam keadaan yang tidak menguntungkan.

Apabila keuntungannya sangat tinggi, bentuk gelombang output kelihatan lebih mirip dengan gelombang persegi dan bukannya gelombang sinus.

Penyelewengan biasanya merupakan akibat langsung daripada terlalu banyak keuntungan yang mendorong penguat.

Oleh itu, keuntungan harus diatur dengan berhati-hati untuk mencapai pengayun distorsi rendah.

Pengayun fasa-pergeseran dapat menunjukkan distorsi, namun mereka mungkin memiliki kemampuan untuk mencapai voltan keluaran distorsi rendah dengan menggunakan bahagian RC lata yang disangga.

Ini kerana bahagian RC lata berperanan sebagai penapis distorsi. Tambahan pula, pengayun fasa pergeseran buffer mengalami distorsi yang rendah kerana keuntungan diurus dan seimbang antara penyangga.

Kesimpulannya

Dari perbincangan di atas, kami mempelajari prinsip kerja asas pengayun opamp dan memahami mengenai kriteria asas untuk mencapai ayunan berterusan. Dalam catatan seterusnya kita akan mengetahui mengenai Pengayun jambatan Wien .