Bộ tạo dao động op amp

Bộ tạo dao động sử dụng op amp làm phần tử hoạt động được gọi là bộ tạo dao động op amp.

Trong bài đăng này, chúng ta tìm hiểu cách thiết kế bộ dao động dựa trên opamp và liên quan đến nhiều yếu tố quan trọng cần thiết để tạo ra một thiết kế bộ dao động ổn định.

Bộ dao động dựa trên op amp thường được sử dụng để tạo ra các dạng sóng chính xác, tuần hoàn như hình vuông, răng cưa, hình tam giác và hình sin.

Nói chung, chúng hoạt động bằng cách sử dụng một thiết bị hoạt động duy nhất hoặc đèn hoặc tinh thể và được kết hợp bởi một vài thiết bị thụ động như điện trở, tụ điện và cuộn cảm, để tạo ra đầu ra.

Danh mục Bộ tạo dao động Op-amp

Bạn sẽ tìm thấy một vài nhóm dao động chính: thư giãn và hình sin.

Bộ dao động thư giãn tạo ra các dạng sóng hình tam giác, răng cưa và các dạng sóng không dạng khác.

Bộ tạo dao động hình sin kết hợp các bộ khuếch đại quang sử dụng các bộ phận bổ sung quen với việc tạo ra dao động hoặc tinh thể có bộ tạo dao động tích hợp.

Bộ dao động sóng sin được sử dụng làm nguồn hoặc dạng sóng thử nghiệm trong nhiều ứng dụng mạch.

Một bộ dao động hình sin thuần túy chỉ có một tần số riêng lẻ hoặc tần số cơ bản: lý tưởng là không có bất kỳ sóng hài nào.

Do đó, sóng hình sin có thể là đầu vào của mạch, sử dụng sóng hài đầu ra được tính toán để khắc phục mức độ méo.

Các dạng sóng trong bộ dao động thư giãn được tạo ra thông qua các sóng hình sin được tổng hợp để cung cấp hình dạng quy định.

Bộ tạo dao động rất hữu ích để tạo ra các xung nhất quán được sử dụng làm tham chiếu trong các ứng dụng như âm thanh, bộ tạo chức năng, hệ thống kỹ thuật số và hệ thống truyền thông.

Bộ tạo dao động sóng sin

Bộ tạo dao động hình sin bao gồm các mạch khuếch đại sử dụng mạch RC hoặc LC có chứa các tần số dao động có thể điều chỉnh được hoặc các tinh thể có tần số dao động xác định trước.

Tần số và biên độ dao động được thiết lập bằng cách lựa chọn các bộ phận thụ động và tích cực được nối với op-amp trung tâm.

Bộ dao động dựa trên op-amp là mạch được tạo ra để không ổn định. Không phải là loại được phát triển hoặc thiết kế bất ngờ trong phòng thí nghiệm, mà là loại được cố ý chế tạo để tiếp tục ở trong tình trạng không ổn định hoặc dao động.

Các bộ tạo dao động op-amp được gắn với đầu cuối của dải tần do thực tế các opamps thiếu băng thông cần thiết để thực hiện dịch pha thấp ở tần số cao.

Các opamps phản hồi điện áp bị giới hạn ở dải tần kHz thấp vì cực vòng hở chính của chúng thường nhỏ đến 10 Hz.

Các opamps phản hồi dòng hiện đại được thiết kế với băng thông rộng hơn đáng kể, nhưng chúng cực kỳ khó thực hiện trong các mạch dao động vì chúng nhạy cảm với điện dung phản hồi.

Bộ dao động tinh thể được khuyến nghị trong các ứng dụng tần số cao trong dải tần hàng trăm MHz.

Những yêu cầu cơ bản

Trong kiểu cơ bản nhất, còn được gọi là kiểu chuẩn, một phương pháp phản hồi tiêu cực được sử dụng.

Điều này trở thành điều kiện tiên quyết để bắt đầu dao động như trong Hình 1. Ở đây chúng ta thấy sơ đồ khối cho một phương pháp như vậy trong đó VIN được cố định làm điện áp đầu vào.

Vout biểu thị đầu ra từ khối A.

β biểu thị tín hiệu, còn được gọi là hệ số phản hồi, được cung cấp trở lại đường giao nhau tổng.

E biểu thị phần tử lỗi tương đương với tổng của hệ số hồi tiếp và điện áp đầu vào.

Các phương trình kết quả cho một mạch dao động có thể được xem dưới đây. Phương trình đầu tiên là phương trình quan trọng xác định điện áp đầu ra. Phương trình 2 đưa ra hệ số sai số.

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

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

Loại bỏ hệ số sai số E từ các phương trình trên cho

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

Việc trích xuất các phần tử trong Vout mang lại

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

Tổ chức lại các thuật ngữ trong phương trình trên cung cấp cho chúng ta công thức phản hồi cổ điển sau đây thông qua phương trình # 5

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

Bộ tạo dao động có thể hoạt động mà không cần sự trợ giúp của tín hiệu bên ngoài. Thay vào đó, một phần của xung đầu ra được sử dụng làm đầu vào thông qua mạng phản hồi phí.

Một dao động được bắt đầu khi phản hồi không đạt được trạng thái ổn định ổn định. Điều này xảy ra vì hành động chuyển không được thực hiện.

Sự không ổn định này xảy ra khi mẫu số của phương trình số 5 trở thành 0, như được hiển thị bên dưới:

1 + Aβ = 0, hoặc Aβ = -1.

Điều quan trọng trong khi thiết kế mạch dao động là đảm bảo Aβ = -1. Điều kiện này được gọi là Tiêu chí Barkhausen .

Để thỏa mãn điều kiện này, điều cần thiết là giá trị độ lợi của vòng lặp phải duy trì ở trạng thái thống nhất thông qua một dịch pha 180 độ tương ứng. Điều này được hiểu bằng dấu âm trong phương trình.

Các kết quả trên có thể được biểu diễn theo cách khác như hình dưới đây bằng cách sử dụng các ký hiệu từ Đại số phức tạp:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Trong khi thiết kế một bộ dao động phản hồi tích cực, phương trình trên có thể được viết dưới dạng:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° điều này làm cho số hạng Aβ trong phương trình # 5 âm.

Khi Aβ = -1 đầu ra phản hồi có xu hướng dịch chuyển về phía điện áp vô hạn.

Khi điều này đạt đến mức tối đa + hoặc - mức cung cấp, các thiết bị hoạt động mức tăng ích trong mạch sẽ thay đổi.

Điều này làm cho giá trị của A trở thành Aβ ≠ -1, làm chậm quá trình tiếp cận điện áp vô hạn phản hồi, cuối cùng dừng lại.

Tại đây. Chúng tôi có thể tìm thấy một trong ba khả năng xảy ra:

1. Sự bão hòa hoặc cắt không tuyến tính làm cho bộ dao động ổn định và khóa.
2. Điện tích ban đầu buộc hệ thống bão hòa trong một thời gian dài trước khi nó trở lại tuyến tính và bắt đầu tiếp cận đường ray cung cấp đối diện.
3. Hệ thống tiếp tục ở trong vùng tuyến tính và quay ngược về phía đường ray cung cấp đối diện.

Trong trường hợp khả năng thứ hai, chúng ta nhận được một dao động bị bóp méo vô cùng, thường ở dạng gần như sóng vuông.

Chuyển pha trong bộ dao động là gì

Sự dịch chuyển pha 180 ° trong phương trình Aβ = 1 ㄥ -180 ° được tạo ra thông qua các thành phần tích cực và thụ động.

Cũng giống như bất kỳ mạch phản hồi được thiết kế chính xác nào, bộ tạo dao động được xây dựng dựa trên sự chuyển pha của các thành phần thụ động.

Điều này là do kết quả từ các bộ phận bị động là chính xác và thực tế không bị trôi. Sự chuyển pha có được từ các thành phần hoạt động hầu hết không chính xác do nhiều yếu tố.

Nó có thể trôi theo sự thay đổi nhiệt độ, có thể cho thấy dung sai ban đầu rộng và kết quả cũng có thể phụ thuộc vào đặc tính của thiết bị.

Op amps được chọn để đảm bảo rằng chúng tạo ra sự dịch pha tối thiểu đối với tần số của dao động.

Mạch RL (điện trở-cuộn cảm) hoặc RC (điện trở-tụ điện) đơn cực mang lại độ lệch pha khoảng 90 ° cho mỗi cực.

Vì 180 ° là cần thiết cho dao động, nên tối thiểu hai cực được sử dụng trong khi thiết kế một bộ dao động.

Do đó, một mạch LC có 2 cực, nó cung cấp độ lệch pha khoảng 180 ° cho mỗi cặp cực.

Tuy nhiên, chúng ta sẽ không thảo luận về các thiết kế dựa trên LC ở đây do sự liên quan của mạng lưới cuộn cảm tần số thấp có thể đắt tiền, cồng kềnh và không mong muốn.

Bộ tạo dao động LC được thiết kế cho các ứng dụng tần số cao, có thể lớn hơn hoặc cao hơn dải tần của opamps dựa trên nguyên tắc phản hồi điện áp.

Ở đây bạn có thể thấy kích thước cuộn cảm, trọng lượng và chi phí không quan trọng lắm.

Dịch pha xác định tần số của dao động kể từ khi mạch xung ở tần số lấy độ lệch pha 180 độ. Df / dt hoặc tốc độ thay đổi pha theo tần số, quyết định độ ổn định tần số.

Khi các phần RC đệm theo tầng được sử dụng dưới dạng opamps, cung cấp thông lượng cao và trở kháng đầu ra thấp, độ lệch pha nhân với số phần, n (xem Hình bên dưới).

Mặc dù thực tế là hai phần RC xếp tầng có độ lệch pha 180 °, bạn có thể thấy dФ / dt là nhỏ nhất ở tần số dao động.

Kết quả là các bộ tạo dao động được xây dựng bằng cách sử dụng hai phần RC xếp tầng cung cấp không thỏa đáng ổn định tần số.

Ba phần bộ lọc RC xếp tầng giống hệt nhau cung cấp dФ / dt tăng lên, cho phép bộ dao động có độ ổn định tần số nâng cao.

Tuy nhiên, việc giới thiệu phần RC thứ tư sẽ tạo ra một bộ dao động với nổi bật dФ / dt.

Do đó, đây trở thành một thiết lập dao động cực kỳ ổn định.

Bốn phần xảy ra là phạm vi ưa thích chủ yếu vì opamps có sẵn trong các gói bốn.

Ngoài ra, bộ dao động bốn phần tạo ra 4 sóng sin lệch pha 45 ° với tham chiếu với nhau, có nghĩa là bộ dao động này cho phép bạn nắm giữ các sóng sin / cosin hoặc sin vuông góc.

Sử dụng tinh thể và bộ cộng hưởng gốm

Bộ cộng hưởng bằng tinh thể hoặc gốm cung cấp cho chúng ta những bộ dao động ổn định nhất. Điều này là do các bộ cộng hưởng có dФ / dt cực kỳ cao do các đặc tính phi tuyến của chúng.

Bộ cộng hưởng được áp dụng trong bộ dao động tần số cao, tuy nhiên, bộ dao động tần số thấp thường không hoạt động với bộ cộng hưởng do hạn chế về kích thước, trọng lượng và chi phí.

Bạn sẽ thấy rằng op-amps không được sử dụng với bộ tạo dao động cộng hưởng gốm chủ yếu vì opamps bao gồm băng thông giảm.

Các nghiên cứu cho thấy rằng ít tốn kém hơn khi xây dựng bộ dao động tinh thể tần số cao và cắt giảm đầu ra để thu được tần số thấp thay vì kết hợp bộ cộng hưởng tần số thấp.

Tăng trong bộ dao động

Độ lợi của một bộ dao động phải phù hợp với một ở tần số dao động. Thiết kế trở nên ổn định khi mức tăng lớn hơn 1 và các dao động dừng lại.

Ngay khi độ lợi đạt trên 1 cùng với độ lệch pha –180 °, thuộc tính phi tuyến tính của thiết bị hoạt động (opamp) giảm độ lợi xuống 1.

Khi sự không tuyến tính xảy ra, opamp thay đổi gần mức cung cấp (+/-) do giảm mức cắt hoặc độ bão hòa của độ lợi của thiết bị hoạt động (bóng bán dẫn).

Một điều kỳ lạ là các mạch được thiết kế tồi thực sự đòi hỏi lợi nhuận biên vượt quá 1 trong quá trình sản xuất của chúng.

Mặt khác, độ lợi cao hơn dẫn đến lượng biến dạng lớn hơn đối với sóng sin đầu ra.

Trong trường hợp độ lợi là nhỏ nhất, dao động sẽ ngừng trong những trường hợp cực kỳ bất lợi.

Khi độ lợi rất cao, dạng sóng đầu ra có vẻ giống với sóng vuông thay vì sóng sin.

Sự biến dạng thường là hậu quả ngay lập tức của việc tăng quá nhiều điều khiển bộ khuếch đại.

Do đó, độ lợi nên được điều chỉnh một cách thận trọng để đạt được các bộ dao động có độ méo thấp.

Bộ dao động dịch pha có thể hiển thị các biến dạng, tuy nhiên chúng có thể có khả năng đạt được điện áp đầu ra có độ méo thấp bằng cách sử dụng các phần RC phân tầng có đệm.

Điều này là do các phần RC xếp tầng hoạt động như bộ lọc biến dạng. Hơn nữa, các bộ dao động dịch pha có bộ đệm có độ méo thấp do độ lợi được quản lý và cân bằng đồng nhất giữa các bộ đệm.

Phần kết luận

Từ cuộc thảo luận trên, chúng ta đã học được nguyên lý hoạt động cơ bản của bộ tạo dao động opamp và hiểu được các tiêu chí cơ bản để đạt được dao động bền vững. Trong bài tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu về Bộ tạo dao động cầu Wien .