Op amp ταλαντωτές

Ένα ταλαντωτή που χρησιμοποιεί έναν ενισχυτή op ως το ενεργό στοιχείο ονομάζεται ταλαντωτής op amp.

Σε αυτήν την ανάρτηση μαθαίνουμε πώς να σχεδιάζουμε ταλαντωτές με βάση το opamp και σχετικά με τους πολλούς κρίσιμους παράγοντες που απαιτούνται για τη δημιουργία ενός σταθερού σχεδιασμού ταλαντωτών.

Οι ταλαντωτές με βάση τον ενισχυτή χρησιμοποιούνται συνήθως για τη δημιουργία ακριβών, περιοδικών κυματομορφών όπως τετράγωνο, πριονωτό, τριγωνικό και ημιτονοειδές.

Γενικά λειτουργούν χρησιμοποιώντας μια μόνο ενεργή συσκευή, ή μια λάμπα, ή έναν κρύσταλλο, και συνδέονται με μερικές παθητικές συσκευές όπως αντιστάσεις, πυκνωτές και επαγωγείς, για τη δημιουργία της εξόδου.

Κατηγορίες ταλαντωτών Op-amp

Θα βρείτε μερικές κύριες ομάδες ταλαντωτών: χαλάρωση και ημιτονοειδής.

Οι ταλαντωτές χαλάρωσης παράγουν τις τριγωνικές, πριονωτές και άλλες μη ανοσοειδείς κυματομορφές.

Οι ημιτονοειδείς ταλαντωτές ενσωματώνουν op-amp χρησιμοποιώντας πρόσθετα εξαρτήματα που έχουν συνηθίσει να δημιουργούν ταλαντώσεις, ή κρύσταλλους που έχουν ενσωματωμένες γεννήτριες ταλάντωσης.

Οι ταλαντωτές ημιτονοειδούς κύματος χρησιμοποιούνται ως πηγές ή δοκιμαστικές κυματομορφές σε πολλές εφαρμογές κυκλώματος.

Ένας καθαρός ημιτονοειδής ταλαντωτής διαθέτει αποκλειστικά μια ατομική ή βασική συχνότητα: ιδανικά χωρίς αρμονικές.

Ως αποτέλεσμα, ένα ημιτονοειδές κύμα θα μπορούσε να είναι η είσοδος σε ένα κύκλωμα, χρησιμοποιώντας υπολογισμένες αρμονικές εξόδου για να διορθωθεί το επίπεδο παραμόρφωσης.

Οι κυματομορφές σε ταλαντωτές χαλάρωσης παράγονται μέσω ημιτονοειδών κυμάτων που αθροίζονται για να παραδώσουν το προβλεπόμενο σχήμα.

Οι ταλαντωτές είναι χρήσιμοι για την παραγωγή σταθερών παλμών που χρησιμοποιούνται ως αναφορά σε εφαρμογές όπως ήχος, γεννήτριες λειτουργιών, ψηφιακά συστήματα και συστήματα επικοινωνίας.

Ταλαντωτές ημιτονοειδούς κύματος

Οι ημιτονοειδείς ταλαντωτές περιλαμβάνουν op-amp που χρησιμοποιούν κυκλώματα RC ή LC που περιέχουν ρυθμιζόμενες συχνότητες ταλάντωσης ή κρυστάλλους που έχουν προκαθορισμένη συχνότητα ταλάντωσης.

Η συχνότητα και το πλάτος της ταλάντωσης καθορίζονται από την επιλογή παθητικών και ενεργών μερών που συνδέονται με το κεντρικό op-amp.

Οι ταλαντωτές που βασίζονται σε Op-amp είναι κυκλώματα που έχουν δημιουργηθεί για να είναι ασταθή. Όχι ο τύπος που μερικές φορές αναπτύσσεται ή σχεδιάζεται απροσδόκητα στο εργαστήριο, αλλά τύποι που είναι σκόπιμα κατασκευασμένοι για να συνεχίσουν να βρίσκονται σε ασταθή ή ταλαντωτική κατάσταση.

Οι ταλαντωτές Op-amp συνδέονται στο κάτω άκρο του εύρους συχνοτήτων λόγω του γεγονότος ότι οι opamps δεν διαθέτουν το απαραίτητο εύρος ζώνης για την εφαρμογή της μετατόπισης χαμηλής φάσης σε υψηλές συχνότητες.

Οι τάσεις ανάδρασης τάσης περιορίζονται σε εύρος χαμηλών kHz, δεδομένου ότι ο κύριος πόλος ανοιχτού βρόχου είναι συχνά τόσο μικρός όσο 10 Hz.

Τα σύγχρονα opamps ρεύματος-ανατροφοδότησης έχουν σχεδιαστεί με πολύ ευρύτερο εύρος ζώνης, αλλά αυτά είναι εξαιρετικά δύσκολο να εφαρμοστούν σε κυκλώματα ταλαντωτών, καθώς είναι ευαίσθητα στην χωρητικότητα ανάδρασης.

Οι κρυσταλλικοί ταλαντωτές συνιστώνται σε εφαρμογές υψηλής συχνότητας στην περιοχή των εκατοντάδων MHz.

Βασικές απαιτήσεις

Στον πιο βασικό τύπο, που ονομάζεται επίσης κανονικός τύπος, χρησιμοποιείται μέθοδος αρνητικής ανατροφοδότησης.

Αυτό καθίσταται απαραίτητη προϋπόθεση για την έναρξη της ταλάντωσης όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Εδώ βλέπουμε το διάγραμμα μπλοκ για μια τέτοια μέθοδο όπου το VIN είναι σταθερό ως τάση εισόδου.

Vout σημαίνει την έξοδο από το μπλοκ Α.

β σημαίνει το σήμα, που ονομάζεται επίσης συντελεστής ανάδρασης, το οποίο παρέχεται πίσω στη διασταύρωση αθροίσματος.

E σημαίνει το στοιχείο σφάλματος που ισοδυναμεί με το άθροισμα του συντελεστή ανάδρασης και την τάση εισόδου.

Οι προκύπτουσες εξισώσεις για ένα κύκλωμα ταλαντωτών φαίνονται παρακάτω. Η πρώτη εξίσωση είναι η σημαντική που καθορίζει την τάση εξόδου. Η εξίσωση 2 δίνει τον παράγοντα σφάλματος.

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

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

Η εξάλειψη του παράγοντα σφάλματος Ε από τις παραπάνω εξισώσεις δίνει

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

Η εξαγωγή των στοιχείων στο Vout δίνει

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

Η αναδιοργάνωση των όρων στην παραπάνω εξίσωση μας παρέχει τον ακόλουθο κλασικό τύπο ανατροφοδότησης μέσω της εξίσωσης # 5

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

Οι ταλαντωτές μπορούν να λειτουργούν χωρίς τη βοήθεια εξωτερικού σήματος. Αντίθετα, ένα μέρος του παλμού εξόδου χρησιμοποιείται ως είσοδος μέσω ενός δικτύου feeedback.

Η ταλάντωση ξεκινά όταν η ανατροφοδότηση δεν επιτυγχάνει σταθερή σταθερή κατάσταση. Αυτό συμβαίνει επειδή η ενέργεια μεταφοράς δεν ολοκληρώνεται.

Αυτή η αστάθεια εμφανίζεται όταν ο παρονομαστής της εξίσωσης # 5 γίνεται μηδέν, όπως φαίνεται παρακάτω:

1 + Αβ = 0 ή Αβ = -1.

Το κρίσιμο πράγμα κατά το σχεδιασμό ενός κυκλώματος ταλαντωτή είναι να διασφαλιστεί το Aβ = -1. Αυτή η κατάσταση ονομάζεται Κριτήριο Barkhausen .

Για να ικανοποιηθεί αυτή η συνθήκη, καθίσταται απαραίτητο η τιμή κέρδους βρόχου να παραμείνει ενωμένη μέσω αντίστοιχης μετατόπισης φάσης 180 μοιρών. Αυτό γίνεται κατανοητό από το αρνητικό σημάδι στην εξίσωση.

Τα παραπάνω αποτελέσματα μπορούν εναλλακτικά να εκφραστούν όπως φαίνεται παρακάτω χρησιμοποιώντας σύμβολα από το σύνθετο Άλγεβρα:

Αβ = 1 ㄥ -180 °

Ενώ σχεδιάζουμε έναν ταλαντωτή θετικής ανάδρασης, η παραπάνω εξίσωση μπορεί να γραφτεί ως:

Αβ = 1 ㄥ 0 ° που καθιστά τον όρο Αβ στην εξίσωση # 5 αρνητικό.

Όταν Aβ = -1 η έξοδος ανάδρασης τείνει να κινείται προς μια άπειρη τάση.

Όταν αυτό προσεγγίζει τα μέγιστα + ή - επίπεδα τροφοδοσίας, οι ενεργές συσκευές επιπέδου κέρδους στα κυκλώματα αλλάζουν.

Αυτό αναγκάζει την τιμή του Α να γίνει Αβ ≠ -1, επιβραδύνοντας την προσέγγιση άπειρης τάσης ανάδρασης, σταματώντας τελικά την αναστολή.

Εδώ. Μπορούμε να βρούμε μία από τις τρεις δυνατότητες που συμβαίνουν:

1. Μη γραμμικός κορεσμός ή διακοπή που προκαλεί τη σταθεροποίηση και το κλείδωμα του ταλαντωτή.
2. Η αρχική φόρτιση που αναγκάζει το σύστημα να κορεστεί για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα προτού γίνει ξανά γραμμικό και αρχίζει να πλησιάζει την αντίθετη ράγα τροφοδοσίας.
3. Το σύστημα συνεχίζει να βρίσκεται στη γραμμική περιοχή και επιστρέφει προς την αντίθετη ράγα τροφοδοσίας.

Στην περίπτωση της δεύτερης δυνατότητας, έχουμε πολύ παραμορφωμένες ταλαντώσεις, γενικά με τη μορφή σχεδόν τετραγωνικών κυμάτων.

Τι είναι η μετατόπιση φάσης στους ταλαντωτές

Η μετατόπιση φάσης 180 ° στην εξίσωση Αβ = 1 ㄥ -180 ° δημιουργείται μέσω των ενεργών και παθητικών συστατικών.

Όπως και κάθε σωστά σχεδιασμένο κύκλωμα ανάδρασης, οι ταλαντωτές κατασκευάζονται με βάση τη μετατόπιση φάσης των παθητικών εξαρτημάτων.

Αυτό συμβαίνει επειδή τα αποτελέσματα από παθητικά μέρη είναι ακριβή και πρακτικά χωρίς μετατόπιση. Η μετατόπιση φάσης που αποκτήθηκε από ενεργά συστατικά είναι ως επί το πλείστον ανακριβής λόγω πολλών παραγόντων.

Μπορεί να μετατοπιστεί με αλλαγές θερμοκρασίας, μπορεί να δείξει μεγάλη αρχική ανοχή και επίσης τα αποτελέσματα μπορεί να εξαρτώνται από το χαρακτηριστικό της συσκευής.

Οι ενισχυτές επιλέγονται προκειμένου να διασφαλιστεί ότι επιφέρουν ελάχιστη μετατόπιση φάσης στη συχνότητα της ταλάντωσης.

Ένα κύκλωμα RL ενός μονοπολικού (αντίσταση-επαγωγέας) ή RC (αντίσταση-καψακτόρα) φέρνει περίπου 90 ° μετατόπιση φάσης ανά πόλο.

Επειδή οι 180 ° είναι απαραίτητοι για την ταλάντωση, χρησιμοποιούνται τουλάχιστον δύο πόλοι κατά το σχεδιασμό ενός ταλαντωτή.

Ένα κύκλωμα LC διαθέτει 2 πόλους επομένως, παρέχει μετατόπιση φάσης περίπου 180 ° για κάθε ζεύγος πόλων.

Ωστόσο, δεν πρόκειται να συζητήσουμε σχέδια με βάση το LC εδώ, λόγω του μη συμμετοχικού πηνίου χαμηλής συχνότητας που μπορεί να είναι ακριβό, ογκώδες και ανεπιθύμητο.

Οι ταλαντωτές LC προορίζονται για εφαρμογές υψηλής συχνότητας, οι οποίες ενδέχεται να υπερβαίνουν και να υπερβαίνουν το εύρος συχνοτήτων των οπών με βάση την αρχή ανάδρασης τάσης.

Εδώ μπορεί να διαπιστώσετε ότι το μέγεθος, το βάρος και το κόστος του πηνίου δεν έχουν μεγάλη σημασία.

Η μετατόπιση φάσης επιβεβαιώνει τη συχνότητα ταλάντωσης καθώς το κύκλωμα παλμό στη συχνότητα που φέρνει μια μετατόπιση φάσης 180 βαθμών. Το df / dt ή ο ρυθμός με τον οποίο η μετατόπιση φάσης αλλάζει με τη συχνότητα, αποφασίζει τη σταθερότητα της συχνότητας.

Όταν οι ενδιάμεσες ενδιάμεσες ενότητες RC χρησιμοποιούνται με τη μορφή opamps, προσφέροντας αντίσταση υψηλής εισόδου και χαμηλής απόδοσης, η μετατόπιση φάσης πολλαπλασιάζεται με τον αριθμό των τμημάτων, ν (βλ. παρακάτω σχήμα).

Παρά το γεγονός ότι δύο διαδοχικά τμήματα RC παρουσιάζουν μετατόπιση φάσης 180 °, μπορεί να βρείτε το dФ / dt να είναι ελάχιστο στη συχνότητα του ταλαντωτή.

Ως αποτέλεσμα ταλαντωτές κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας δύο διαδοχικά τμήματα RC προσφοράς ανεπαρκής σταθερότητα συχνότητας.

Τρία πανομοιότυπα τμήματα φίλτρου RC παρέχουν αυξημένη dФ / dt, επιτρέποντας στον ταλαντωτή με βελτιωμένη σταθερότητα συχνότητας.

Ωστόσο, η εισαγωγή ενός τέταρτου τμήματος RC δημιουργεί έναν ταλαντωτή με ένα εξαιρετική dФ / dt.

Ως εκ τούτου, αυτό γίνεται μια εξαιρετικά σταθερή ρύθμιση ταλαντωτών.

Τέσσερις ενότητες τυχαίνει να είναι το προτιμώμενο εύρος κυρίως επειδή τα opamps είναι διαθέσιμα σε πακέτα quad.

Επίσης, ο ταλαντωτής τεσσάρων τμημάτων παράγει 4 ημιτονοειδή κύματα τα οποία μετακινούνται φάσης 45 ° σε σχέση μεταξύ τους, πράγμα που σημαίνει ότι αυτός ο ταλαντωτής σάς επιτρέπει να συγκρατήσετε ημιτονοειδή κύματα / συνημίτονα ή τεταρτημόρια.

Χρήση κρυστάλλων και κεραμικών αντηχείων

Οι κρυσταλλικοί ή κεραμικοί συντονιστές μας παρέχουν τους πιο σταθερούς ταλαντωτές. Αυτό συμβαίνει επειδή οι συντονιστές έρχονται με απίστευτα υψηλό dФ / dt ως αποτέλεσμα των μη γραμμικών ιδιοτήτων τους.

Οι συντονιστές εφαρμόζονται σε ταλαντωτές υψηλής συχνότητας, ωστόσο, οι ταλαντωτές χαμηλής συχνότητας συνήθως δεν λειτουργούν με αντηχεία λόγω περιορισμών μεγέθους, βάρους και κόστους.

Θα διαπιστώσετε ότι τα op-amp δεν χρησιμοποιούνται με ταλαντωτές κεραμικού αντηχείου κυρίως επειδή οι opamps περιλαμβάνουν μειωμένο εύρος ζώνης.

Μελέτες δείχνουν ότι είναι φθηνότερο να κατασκευαστεί ένας κρυσταλλικός ταλαντωτής υψηλής συχνότητας και να μειωθεί η έξοδος για την απόκτηση χαμηλής συχνότητας αντί να ενσωματωθεί αντηχείο χαμηλής συχνότητας.

Κέρδος σε ταλαντωτές

Το κέρδος ενός ταλαντωτή πρέπει να ταιριάζει ένας στη συχνότητα ταλάντωσης. Ο σχεδιασμός γίνεται σταθερός όταν το κέρδος είναι μεγαλύτερο από 1 και οι ταλαντώσεις σταματούν.

Μόλις το κέρδος φτάσει πάνω από 1 μαζί με μια μετατόπιση φάσης –180 °, η μη γραμμική ιδιότητα της ενεργής συσκευής (opamp) μειώνει το κέρδος στο 1.

Όταν συμβαίνει μη γραμμικότητα, το opamp μετακινείται κοντά στα δύο (+/-) επίπεδα τροφοδοσίας λόγω της μείωσης της αποκοπής ή του κορεσμού του ενεργού κέρδους της συσκευής (τρανζίστορ).

Ένα παράξενο είναι ότι τα κακώς σχεδιασμένα κυκλώματα απαιτούν οριακά κέρδη άνω του 1 κατά την παραγωγή τους.

Από την άλλη πλευρά, το υψηλότερο κέρδος οδηγεί σε μεγαλύτερη ποσότητα παραμόρφωσης για το ημιτονοειδές κύμα εξόδου.

Σε περιπτώσεις όπου το κέρδος είναι ελάχιστο, οι ταλαντώσεις παύουν υπό ακραίες δυσμενείς συνθήκες.

Όταν το κέρδος είναι πολύ υψηλό, η κυματομορφή εξόδου φαίνεται να μοιάζει πολύ περισσότερο με ένα τετραγωνικό κύμα αντί για ένα ημιτονοειδές κύμα.

Η παραμόρφωση είναι συνήθως άμεση συνέπεια του υπερβολικού κέρδους που οδηγεί τον ενισχυτή.

Επομένως, το κέρδος πρέπει να ρυθμίζεται προσεκτικά για την επίτευξη ταλαντωτών χαμηλής παραμόρφωσης.

Οι ταλαντωτές μετατόπισης φάσης μπορούν να παρουσιάσουν παραμορφώσεις, ωστόσο ενδέχεται να έχουν τη δυνατότητα να επιτύχουν τάσεις εξόδου χαμηλής παραμόρφωσης με χρήση ρυθμισμένων τμημάτων RC.

Αυτό συμβαίνει επειδή τα τμήματα με επικαλυπτόμενα RC συμπεριφέρονται ως φίλτρα παραμόρφωσης. Επιπλέον, οι ρυθμιστές ταλαντωτή μετατόπισης φάσης έχουν χαμηλή παραμόρφωση, καθώς το κέρδος διαχειρίζεται και ισορροπεί ομοιόμορφα μεταξύ των ρυθμιστικών.

συμπέρασμα

Από την παραπάνω συζήτηση μάθαμε τη βασική αρχή λειτουργίας των ταλαντωτών opamp και κατανοήσαμε σχετικά με τα θεμελιώδη κριτήρια για την επίτευξη παρατεταμένων ταλαντώσεων. Στην επόμενη ανάρτηση θα μάθουμε για Ταλαντωτές Wien-Bridge .