Oscillatori operazionali

Un oscillatore costruito utilizzando un amplificatore operazionale come elemento attivo è chiamato oscillatore amplificatore operazionale.

In questo post impariamo come progettare oscillatori basati su opamp e per quanto riguarda i molti fattori critici necessari per generare un progetto di oscillatore stabile.

Gli oscillatori basati su amplificatori operazionali vengono normalmente utilizzati per generare forme d'onda periodiche precise come quadrata, a dente di sega, triangolare e sinusoidale.

Generalmente funzionano utilizzando un singolo dispositivo attivo, o una lampada, o un cristallo, e associati da alcuni dispositivi passivi come resistori, condensatori e induttori, per generare l'uscita.

Categorie degli oscillatori operazionali

Troverai un paio di gruppi primari di oscillatori: relax e sinusoidale.

Gli oscillatori di rilassamento producono le forme d'onda triangolare, a dente di sega e altre forme d'onda non sinuose.

Gli oscillatori sinusoidali incorporano amplificatori operazionali utilizzando parti aggiuntive abituate a creare oscillazioni, o cristalli che hanno generatori di oscillazioni incorporati.

Gli oscillatori sinusoidali vengono impiegati come sorgenti o forme d'onda di prova in numerose applicazioni circuitali.

Un oscillatore sinusoidale puro dispone solo di una frequenza individuale o di base: idealmente senza armoniche.

Di conseguenza, un'onda sinusoidale potrebbe essere l'ingresso a un circuito, utilizzando le armoniche di uscita calcolate per fissare il livello di distorsione.

Le forme d'onda negli oscillatori di rilassamento sono prodotte attraverso onde sinusoidali che vengono sommate per fornire la forma stabilita.

Gli oscillatori sono utili per produrre impulsi coerenti che vengono utilizzati come riferimento in applicazioni come audio, generatori di funzioni, sistemi digitali e sistemi di comunicazione.

Oscillatori sinusoidali

Gli oscillatori sinusoidali comprendono amplificatori operazionali che utilizzano circuiti RC o LC che contengono frequenze di oscillazione regolabili o cristalli che possiedono una frequenza di oscillazione predeterminata.

La frequenza e l'ampiezza dell'oscillazione sono stabilite dalla selezione delle parti attive e passive collegate all'amplificatore operazionale centrale.

Gli oscillatori basati su amplificatori operazionali sono circuiti creati per essere instabili. Non il tipo che a volte viene sviluppato o progettato inaspettatamente in laboratorio, piuttosto il tipo che è deliberatamente costruito per continuare ad essere in una condizione instabile o oscillatoria.

Gli oscillatori operazionali sono legati all'estremità inferiore della gamma di frequenza a causa del fatto che gli amplificatori operazionali non dispongono della larghezza di banda necessaria per implementare lo sfasamento basso alle alte frequenze.

Gli amplificatori operazionali con feedback di tensione sono limitati a una gamma di bassi kHz poiché il loro polo principale ad anello aperto è spesso piccolo fino a 10 Hz.

I moderni amplificatori operazionali con feedback di corrente sono progettati con una larghezza di banda significativamente più ampia, ma sono incredibilmente difficili da implementare nei circuiti degli oscillatori poiché sono sensibili alla capacità di feedback.

Gli oscillatori a cristallo sono consigliati nelle applicazioni ad alta frequenza nella gamma di centinaia di MHz.

Requisiti di base

Nel tipo più elementare, chiamato anche tipo canonico, viene utilizzato un metodo di feedback negativo.

Questo diventa il prerequisito per avviare l'oscillazione come mostrato nella Figura 1. Qui vediamo lo schema a blocchi per un tale metodo in cui VIN è fisso come tensione di ingresso.

Vout indica l'uscita dal blocco A.

β indica il segnale, chiamato anche fattore di feedback, che viene restituito alla giunzione sommatoria.

E indica l'elemento di errore equivalente alla somma del fattore di feedback e della tensione di ingresso.

Le equazioni risultanti per un circuito oscillatore possono essere viste di seguito. La prima equazione è quella importante che definisce la tensione di uscita. L'equazione 2 fornisce il fattore di errore.

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

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

Eliminando il fattore di errore E dalle equazioni precedenti si ottiene

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

L'estrazione degli elementi in Vout dà

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

Riorganizzare i termini nell'equazione precedente ci fornisce la seguente formula di feedback classica attraverso l'equazione # 5

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

Gli oscillatori sono in grado di funzionare senza l'ausilio di un segnale esterno. Piuttosto, una parte dell'impulso di uscita viene utilizzata come ingresso attraverso una rete di feedback.

Un'oscillazione viene avviata quando il feedback non riesce a raggiungere uno stato stabile stabile. Ciò accade perché l'azione di trasferimento non viene eseguita.

Questa instabilità si verifica quando il denominatore dell'equazione # 5 diventa zero, come mostrato di seguito:

1 + Aβ = 0 o Aβ = -1.

La cosa cruciale durante la progettazione di un circuito oscillatore è garantire Aβ = -1. Questa condizione è chiamata Criterio di Barkhausen .

Per soddisfare questa condizione, diventa essenziale che il valore del guadagno dell'anello rimanga all'unità attraverso un corrispondente sfasamento di 180 gradi. Questo è compreso dal segno negativo nell'equazione.

I risultati di cui sopra possono essere espressi in alternativa come mostrato di seguito utilizzando simboli di Algebra complessa:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Durante la progettazione di un oscillatore a feedback positivo, l'equazione sopra può essere scritta come:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° il che rende negativo il termine Aβ nell'equazione # 5.

Quando Aβ = -1 l'uscita di feedback tende a spostarsi verso una tensione infinita.

Quando questo si avvicina ai livelli di alimentazione + o - massimi, i dispositivi attivi a livello di guadagno nei circuiti cambiano.

Questo fa sì che il valore di A diventi Aβ ≠ -1, rallentando l'approccio della tensione infinita di feedback, fino a fermarlo.

Qui potremmo trovare una delle tre possibilità che si verificano:

1. Saturazione o cut-off non lineare che causa la stabilizzazione e il blocco dell'oscillatore.
2. La carica iniziale costringe il sistema a saturarsi per un periodo molto lungo prima che diventi nuovamente lineare e inizi ad avvicinarsi al binario di alimentazione opposto.
3. Il sistema continua ad essere nella regione lineare e ritorna verso la rotaia di alimentazione opposta.

Nel caso della seconda possibilità, si ottengono oscillazioni immensamente distorte, generalmente sotto forma di onde quasi quadre.

Cos'è lo spostamento di fase negli oscillatori

Lo sfasamento di 180 ° nell'equazione Aβ = 1 ㄥ -180 ° viene creato attraverso i componenti attivi e passivi.

Proprio come qualsiasi circuito di feedback correttamente progettato, gli oscillatori sono costruiti in base allo sfasamento dei componenti passivi.

Questo perché i risultati delle parti passive sono precisi e praticamente privi di deriva. Lo sfasamento acquisito dai componenti attivi è per lo più impreciso a causa di molti fattori.

Può variare con i cambiamenti di temperatura, può mostrare un'ampia tolleranza iniziale e anche i risultati potrebbero dipendere dalle caratteristiche del dispositivo.

Gli amplificatori operazionali vengono scelti in modo da garantire che determinino uno sfasamento minimo alla frequenza dell'oscillazione.

Un circuito unipolare RL (resistore-induttore) o RC (resistore-condensatore) determina uno sfasamento di circa 90 ° per polo.

Poiché 180 ° è necessario per l'oscillazione, vengono utilizzati un minimo di due poli durante la progettazione di un oscillatore.

Un circuito LC possiede 2 poli quindi fornisce uno sfasamento di circa 180 ° per ogni coppia di poli.

Tuttavia non discuteremo qui i progetti basati su LC a causa del coinvolgimento di induttori a bassa frequenza che possono essere costosi, ingombranti e indesiderabili.

Gli oscillatori LC sono destinati ad applicazioni ad alta frequenza, che possono essere al di sopra della gamma di frequenza degli amplificatori operazionali in base al principio del feedback di tensione.

Qui potresti scoprire che le dimensioni, il peso e il costo dell'induttore non sono di grande importanza.

Lo sfasamento accerta la frequenza di oscillazione poiché il circuito pulsa alla frequenza che recupera uno sfasamento di 180 gradi. Il df / dt o la velocità con cui lo spostamento di fase cambia con la frequenza, decide la stabilità della frequenza.

Quando le sezioni RC bufferizzate in cascata vengono utilizzate sotto forma di amplificatori operazionali, offrendo un'impedenza di ingresso elevata e bassa uscita, lo sfasamento si moltiplica per il numero di sezioni, n (vedi figura sotto).

Nonostante il fatto che due sezioni RC in cascata presentino uno sfasamento di 180 °, potresti trovare dФ / dt minimo alla frequenza dell'oscillatore.

Di conseguenza, offrono oscillatori costruiti utilizzando due sezioni RC in cascata inadeguato stabilità di frequenza.

Tre sezioni di filtro RC identiche in cascata forniscono un dФ / dt aumentato, consentendo all'oscillatore una maggiore stabilità di frequenza.

Tuttavia, l'introduzione di una quarta sezione RC crea un oscillatore con estensione eccezionale dФ / dt.

Quindi questo diventa una configurazione dell'oscillatore estremamente stabile.

Quattro sezioni sono la gamma preferita principalmente perché gli operazionali sono disponibili in pacchetti quadrupli.

Inoltre, l'oscillatore a quattro sezioni produce 4 onde sinusoidali che sono sfasate di 45 ° l'una rispetto all'altra, il che significa che questo oscillatore ti consente di afferrare le onde seno / coseno o quadratura.

Utilizzo di cristalli e risonatori ceramici

I risonatori in cristallo o ceramica ci forniscono gli oscillatori più stabili. Questo perché i risonatori hanno un dФ / dt incredibilmente alto come risultato delle loro proprietà non lineari.

I risonatori vengono applicati negli oscillatori ad alta frequenza, tuttavia, gli oscillatori a bassa frequenza di solito non funzionano con i risonatori a causa delle dimensioni, del peso e dei vincoli di costo.

Scoprirai che gli amplificatori operazionali non sono utilizzati con oscillatori risonatori ceramici principalmente perché gli amplificatori operazionali includono una larghezza di banda ridotta.

Gli studi dimostrano che è meno costoso costruire un oscillatore a cristallo ad alta frequenza e ridurre l'uscita per acquisire una bassa frequenza invece di incorporare un risonatore a bassa frequenza.

Guadagno negli oscillatori

Il guadagno di un oscillatore deve corrispondere uno alla frequenza di oscillazione. Il design diventa stabile quando il guadagno è maggiore di 1 e le oscillazioni si arrestano.

Non appena il guadagno supera 1 insieme a uno spostamento di fase di –180 °, la proprietà non lineare del dispositivo attivo (opamp) riduce il guadagno a 1.

Quando si verifica la non linearità, l'amplificatore operazionale oscilla vicino ai livelli di alimentazione (+/-) a causa della riduzione del taglio o della saturazione del guadagno del dispositivo attivo (transistor).

Una cosa strana è che i circuiti progettati male richiedono effettivamente guadagni marginali superiori a 1 durante la loro produzione.

D'altra parte, un guadagno maggiore porta a una maggiore quantità di distorsione per l'onda sinusoidale in uscita.

Nei casi in cui il guadagno è minimo, le oscillazioni cessano in circostanze estremamente sfavorevoli.

Quando il guadagno è molto alto, la forma d'onda in uscita sembra essere molto più simile a un'onda quadra invece che a un'onda sinusoidale.

La distorsione è solitamente una conseguenza immediata di un guadagno eccessivo che sovrasta l'amplificatore.

Pertanto, il guadagno dovrebbe essere governato con cautela per ottenere oscillatori a bassa distorsione.

Gli oscillatori a spostamento di fase possono mostrare distorsioni, tuttavia possono avere la capacità di ottenere tensioni di uscita a bassa distorsione utilizzando sezioni RC a cascata tamponate.

Questo perché le sezioni RC in cascata si comportano come filtri di distorsione. Inoltre, gli oscillatori a spostamento di fase bufferizzati subiscono una bassa distorsione poiché il guadagno è gestito e bilanciato in modo uniforme tra i buffer.

Conclusione

Dalla discussione sopra abbiamo appreso il principio di funzionamento di base degli oscillatori operazionali e compreso i criteri fondamentali per ottenere oscillazioni sostenute. Nel prossimo post ne parleremo Oscillatori a ponte di Vienna .