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

Pengayun fasa-pergeseran adalah litar pengayun yang dirancang untuk menghasilkan output gelombang sinus. Ia beroperasi dengan elemen aktif tunggal seperti BJT atau op amp yang dikonfigurasi dalam mod penguat terbalik.

Susunan litar menghasilkan maklum balas dari output ke input melalui menggunakan rangkaian RC (perintang / kapasitor) yang disusun dalam rangkaian jenis tangga. Pengenalan maklum balas ini menyebabkan 'pergeseran' positif dalam fasa output dari penguat sebanyak 180 darjah pada frekuensi pengayun.

Besarnya fasa peralihan yang dibuat oleh rangkaian RC bergantung pada frekuensi. Frekuensi pengayun yang lebih tinggi menghasilkan peralihan fasa dalam jumlah yang lebih besar.

Penjelasan komprehensif berikut akan membantu kita mempelajari konsep dengan lebih terperinci.

Di dalam jawatan sebelumnya kami belajar mengenai pertimbangan kritikal yang diperlukan semasa merancang pengayun fasa fasa berasaskan op-amp. Dalam catatan ini, kami akan membawanya lebih jauh dan mengetahui lebih lanjut mengenai jenis pengayun fasa peralihan dan bagaimana mengira parameter yang terlibat melalui formula.

Litar jambatan Wien

Gambar rajah di bawah menunjukkan penyediaan litar jambatan Wien.

Di sini, kita dapat memecahkan gelung pada input positif opamp dan mengira isyarat kembali menggunakan Persamaan 2 berikut:

Bila ⍵ = 2πpf = 1 / RC , maklum balas dalam fasa (maklum balas positif), mendapat keuntungan sebanyak 1/3 .

Oleh itu, ayunan memerlukan litar opamp untuk memperoleh keuntungan 3.

Apabila R F = 2R G , penguatan penguat adalah 3 dan ayunan bermula pada f = 1 / 2πRC.

Dalam eksperimen kami, rangkaian berosilasi pada 1,65 kHz dan bukan 1,59 kHz menggunakan nilai bahagian yang ditunjukkan pada Gambar 3, tetapi dengan penyimpangan yang jelas.

Rajah seterusnya menunjukkan litar jambatan Wien mempunyai maklum balas tidak linear .

Kita dapat melihat lampu RL yang rintangan filamennya dipilih sangat rendah, sekitar 50% dari nilai rintangan maklum balas RF, kerana arus lampu ditentukan oleh RF dan RL.

Hubungan antara arus lampu dan rintangan lampu tidak linier, membantu mengekalkan variasi voltan keluaran pada tahap minimum.

Anda juga mungkin menemui banyak litar yang menggabungkan diod dan bukannya konsep elemen maklum balas tidak linier yang dijelaskan di atas.

Penggunaan diod membantu mengurangkan tahap distorsi dengan menawarkan kawalan voltan keluaran yang lembut.

Walau bagaimanapun, jika kaedah di atas tidak disukai oleh anda, maka anda mesti menggunakan kaedah AGC, yang membantu mengurangkan penyimpangan.

Pengayun Wien-bridge biasa yang menggunakan litar AGC ditunjukkan dalam gambar berikut.

Di sini, sampel gelombang sinus negatif dengan menggunakan D1, dan sampel disimpan di dalam C1.

R1 dan R2 dikira sedemikian rupa sehingga memusatkan bias pada Q1 untuk memastikan bahawa (R G + R S1 ) sama dengan R F / 2 dengan voltan keluaran yang dijangkakan.

Sekiranya voltan keluaran cenderung semakin tinggi, rintangan Q1 meningkat, akibatnya menurunkan keuntungan.

Pada rangkaian pengayun jambatan Wien pertama, bekalan 0,833-volt dapat dilihat diterapkan pada pin input opamp positif. Ini dilakukan untuk memusatkan voltan diam output pada VCC / 2 = 2.5 V.

Pengayun fasa-pergeseran (satu opamp)

Pengayun fasa-pergeseran juga dapat dibina dengan menggunakan hanya satu opamp seperti yang ditunjukkan di atas.

Pemikiran konvensional adalah bahawa dalam litar pergeseran fasa tahap-tahap diasingkan dan saling mengatur antara satu sama lain. Ini memberi kita persamaan berikut:

Apabila peralihan fasa bahagian individu adalah –60 °, pergeseran fasa gelung adalah – –80 ° Ini berlaku apabila ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC kerana tangen 60 ° = 1.73.

Nilai β pada masa ini kebetulan (1/2)³, yang bermaksud bahawa keuntungan, A, harus dengan tahap 8 untuk keuntungan sistem menjadi dengan tahap pada 1.

Dalam rajah ini, frekuensi ayunan untuk nilai bahagian yang ditunjukkan didapati 3,76 kHz, dan tidak mengikut frekuensi ayunan yang dihitung 2,76 kHz.

Lebih-lebih lagi, keuntungan yang diperlukan untuk memulakan ayunan diukur menjadi 26 dan bukan mengikut keuntungan yang dikira 8.

Ketidaktepatan semacam ini disebabkan oleh ketidaksempurnaan komponen.

Walau bagaimanapun, aspek mempengaruhi yang paling ketara adalah kerana ramalan yang salah bahawa tahap RC tidak pernah saling mempengaruhi antara satu sama lain.

Persediaan litar opamp tunggal ini cukup terkenal pada masa komponen aktif banyak dan harganya tinggi.

Op-amp masa kini ekonomik dan padat dan boleh didapati dengan empat nombor dalam satu pakej, oleh itu pengayun fasa pergeseran fasa tunggal akhirnya kehilangan pengiktirafannya.

Pengayun fasa peralihan buffer

Kita dapat melihat pengayun fasa-pergeseran fasa yang disangga pada gambar di atas, berdenyut pada 2,9 kHz dan bukannya frekuensi ideal yang diharapkan dari 2,76 kHz, dan dengan kenaikan 8,33 berbanding kenaikan ideal 8.

Penyangga melarang bahagian RC saling mempengaruhi antara satu sama lain, dan oleh itu pengayun fasa pergeseran fasa dapat beroperasi lebih dekat dengan frekuensi dan keuntungan yang dikira.

Perintang RG yang bertanggungjawab untuk pengaturan keuntungan, memuat bahagian RC ketiga, yang membolehkan opamp ke-4 dalam quad opamp bertindak sebagai penyangga untuk bahagian RC ini. Ini menyebabkan tahap kecekapan mencapai nilai ideal.

Kita dapat mengekstrak gelombang sinus dengan distorsi rendah dari mana-mana tahap pengayun fasa-pergeseran, tetapi gelombang sinus yang paling semula jadi dapat diperoleh dari output dari bahagian RC terakhir.

Ini biasanya adalah persimpangan arus rendah impedansi tinggi, oleh itu litar yang mempunyai tahap input impedansi tinggi mesti digunakan di sini untuk mengelakkan pemuatan dan penyimpangan frekuensi sebagai tindak balas terhadap variasi beban.

Pengayun kuadratur

Pengayun kuadratur adalah versi lain dari pengayun fasa-pergeseran, namun ketiga tahap RC disatukan dengan cara yang setiap bahagian menambah pergeseran fasa hingga 90 °.

Output dinamakan sinus dan kosinus (kuadratur) hanya kerana terdapat pergeseran fasa 90 ° antara output opamp. Perolehan gelung ditentukan melalui Persamaan 4.

Dengan ⍵ = 1 / RC , Persamaan 5 memudahkan untuk 1√ - 180 ° , membawa kepada ayunan di ⍵ = 2πpf = 1 / RC.

Litar eksperimen berdenyut pada 1,65 kHz berbanding dengan nilai yang dikira 1,59 kHz, dan perbezaannya terutama disebabkan oleh variasi nilai bahagian.

Pengayun Bubba

Pengayun Bubba yang ditunjukkan di atas adalah satu lagi varian pengayun fasa-pergeseran, tetapi ia menikmati faedah dari pakej quad op-amp untuk menghasilkan beberapa ciri khas.

Empat bahagian RC memerlukan pergeseran fasa 45 ° untuk setiap bahagian, yang bermaksud pengayun ini dilengkapi dengan dΦ / dt yang luar biasa untuk mengurangkan penyimpangan frekuensi.

Setiap bahagian RC menghasilkan peralihan fasa 45 °. Maknanya, kerana kita mempunyai output dari bahagian ganti memastikan output kuadratur rendah-impedansi.

Setiap kali output diekstrak dari setiap opamp, litar menghasilkan empat gelombang sinus fasa 45 °. Persamaan gelung boleh ditulis sebagai:

Bila ⍵ = 1 / RC , persamaan di atas menyusut menjadi Persamaan 7 dan 8 berikut.

Keuntungan, A, harus mencapai nilai 4 untuk memulakan ayunan.

Litar analisis berayun pada 1,76 kHz berbanding frekuensi ideal 1,72 kHz sementara kenaikan sepertinya 4,17 dan bukannya keuntungan ideal 4.

Kerana pengurangan keuntungan KE dan op-amp arus bias rendah, perintang RG yang bertanggungjawab untuk memperbaiki keuntungan tidak memuatkan bahagian RC terakhir. Ini menjamin output frekuensi pengayun yang paling tepat.

Gelombang sinus distorsi yang sangat rendah dapat diperoleh dari persimpangan R dan RG.

Apabila gelombang sinus dengan distorsi rendah diperlukan di semua output, keuntungan sebenarnya harus diagihkan secara sama rata di antara semua opamp.

Input op-amp keuntungan yang tidak terbalik adalah berat sebelah pada 0.5 V untuk mewujudkan voltan keluaran diam pada 2.5 V. Pengagihan keuntungan memerlukan bias opamps yang lain, tetapi ia pasti tidak memberi kesan pada frekuensi ayunan.

Kesimpulannya

Dalam perbincangan di atas kami memahami bahawa pengayun fasa fasa Op amp dikekang ke hujung pita frekuensi bawah.

Ini disebabkan oleh fakta bahawa op-amp tidak mempunyai lebar jalur penting untuk melaksanakan peralihan fasa rendah pada frekuensi yang lebih tinggi.

Menerapkan op-amp maklum balas arus moden dalam litar pengayun kelihatan sukar kerana ini sangat sensitif terhadap kapasiti maklum balas.

Op-amp maklum balas voltan terhad kepada hanya 100 kHz kerana mereka meningkatkan peralihan fasa yang berlebihan.

Pengayun Wien-bridge berfungsi menggunakan sebilangan kecil bahagian, dan kestabilan frekuensi sangat dapat diterima.

Tetapi, mengurangkan distorsi pada osilator jambatan Wien adalah lebih mudah daripada memulakan proses ayunan itu sendiri.

Pengayun kuadratur pasti berjalan menggunakan beberapa op-amp, tetapi ia merangkumi penyelewengan yang jauh lebih tinggi. Walau bagaimanapun, pengayun peralihan fasa, seperti pengayun Bubba menunjukkan distorsi yang jauh lebih rendah bersama dengan beberapa kestabilan frekuensi yang baik.

Oleh itu, fungsi peningkatan pengayun fasa peralihan jenis ini tidak menjadi murah kerana kos bahagian yang lebih tinggi melibatkan pelbagai peringkat litar.

Laman web yang berkaitan
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