Bộ dao động dịch pha là một mạch dao động được thiết kế để tạo ra một đầu ra sóng sin. Nó hoạt động với một phần tử hoạt động duy nhất như BJT hoặc amp op được cấu hình ở chế độ khuếch đại đảo ngược.
Việc bố trí mạch tạo ra phản hồi từ đầu ra đến đầu vào thông qua việc sử dụng mạch RC (điện trở / tụ điện) được bố trí theo kiểu mạng bậc thang. Sự ra đời của phản hồi này gây ra 'sự dịch chuyển' tích cực trong pha của đầu ra từ bộ khuếch đại bằng 180 độ ở tần số dao động.
Độ lớn của sự dịch pha do mạng RC tạo ra phụ thuộc vào tần số. Tần số dao động cao hơn tạo ra lượng dịch pha lớn hơn.
Những giải thích toàn diện sau đây sẽ giúp chúng ta tìm hiểu khái niệm này một cách chi tiết hơn.
bên trong bài trước chúng tôi đã tìm hiểu về những cân nhắc quan trọng cần thiết khi thiết kế bộ dao động dịch pha dựa trên op-amp. Trong bài đăng này, chúng tôi sẽ tiến xa hơn và biết thêm về các loại dao động dịch pha và cách tính toán các thông số liên quan thông qua các công thức.
Mạch cầu Wien
Sơ đồ dưới đây cho thấy thiết lập mạch cầu Wien.
Ở đây, chúng ta có thể phá vỡ vòng lặp ở đầu vào tích cực của opamp và tính toán tín hiệu trả về bằng cách sử dụng Công thức 2 sau:
Khi nào ⍵ = 2πpf = 1 / RC , phản hồi theo giai đoạn (phản hồi tích cực), có lợi 1/3 .
Do đó các dao động cần mạch opamp có độ lợi 3.
Khi R F = 2R G , hệ số khuếch đại là 3 và dao động bắt đầu tại f = 1 / 2πRC.
Trong thí nghiệm của chúng tôi, mạch dao động ở 1,65 kHz thay vì 1,59 kHz bằng cách sử dụng các giá trị phần được chỉ ra trong Hình 3, nhưng với sự biến dạng rõ ràng.
Hình tiếp theo minh họa mạch cầu Wien có phản hồi phi tuyến tính .
Chúng ta có thể thấy đèn RL có điện trở dây tóc được chọn rất thấp, khoảng 50% giá trị điện trở phản hồi của RF, vì dòng điện của đèn được xác định bởi RF và RL.
Mối quan hệ giữa dòng điện của đèn và điện trở của đèn là phi tuyến, giúp giữ cho các biến đổi điện áp đầu ra ở mức tối thiểu.
Bạn cũng có thể tìm thấy nhiều mạch kết hợp diode thay vì khái niệm phần tử phản hồi phi tuyến đã giải thích ở trên.
Việc sử dụng một diode giúp giảm mức độ méo bằng cách cung cấp một điều khiển điện áp đầu ra nhẹ nhàng.
Tuy nhiên, nếu các phương pháp trên không thuận lợi cho bạn thì bạn phải sử dụng các phương pháp AGC, phương pháp này giúp giảm thiểu biến dạng.
Một bộ dao động cầu Wien thông dụng sử dụng mạch AGC được hiển thị trong hình sau.
Ở đây, nó lấy mẫu sóng sin âm bằng D1, và mẫu được lưu trữ bên trong C1.
R1 và R2 được tính toán sao cho nó tập trung độ lệch vào Q1 để đảm bảo rằng (R G + R Q1 ) bằng R F / 2 với điện áp đầu ra dự kiến.
Nếu điện áp đầu ra có xu hướng cao hơn, điện trở của Q1 tăng lên, do đó làm giảm độ lợi.
Trong mạch dao động cầu Wien đầu tiên, nguồn cung cấp 0,833-volt có thể được áp dụng trên chân đầu vào opamp tích cực. Điều này được thực hiện để tập trung điện áp yên đầu ra ở VCC / 2 = 2,5 V.
Bộ dao động dịch pha (một opamp)
Một bộ dao động dịch pha cũng có thể được xây dựng chỉ bằng một opamp như được hiển thị ở trên.
Suy nghĩ thông thường cho rằng trong các mạch chuyển pha, các giai đoạn được tách biệt và tự quản của nhau. Điều này cho chúng ta phương trình sau:
Khi độ dịch pha của từng đoạn là –60 ° thì độ lệch pha của vòng lặp là = –180 °. Điều này xảy ra khi ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC kể từ khi tiếp tuyến 60 ° = 1,73.
Giá trị của β tại thời điểm này là (1/2)3, có nghĩa là mức tăng, A, phải ở mức 8 để hệ thống đạt được bằng mức 1.
Trong biểu đồ này, tần số dao động đối với các giá trị bộ phận được chỉ ra là 3,76 kHz, và không phải theo tần số dao động tính toán là 2,76 kHz.
Hơn nữa, độ lợi cần thiết để bắt đầu dao động được đo là 26 và không phải theo độ lợi được tính toán là 8.
Những loại không chính xác này ở một mức độ nào đó là do sự không hoàn hảo của thành phần.
Tuy nhiên, khía cạnh ảnh hưởng đáng kể nhất là do dự đoán sai mà các giai đoạn RC không bao giờ tác động lẫn nhau.
Thiết lập mạch opamp đơn này từng khá nổi tiếng vào thời điểm các thành phần tích cực cồng kềnh và giá cao.
Ngày nay op-amps kinh tế và nhỏ gọn và có sẵn với bốn con số trong một gói duy nhất, do đó, bộ tạo dao động dịch pha opamp đơn cuối cùng đã mất khả năng nhận dạng.
Bộ dao động dịch pha có đệm
Chúng ta có thể thấy một bộ dao động dịch pha có bộ đệm trong hình trên, dao động ở 2,9 kHz thay vì tần số lý tưởng dự kiến là 2,76 kHz và với mức tăng 8,33 trái ngược với mức tăng lý tưởng là 8.
Bộ đệm cấm các phần RC ảnh hưởng lẫn nhau, và do đó các bộ dao động dịch pha có bộ đệm có thể hoạt động gần hơn với tần số và độ lợi được tính toán.
Điện trở RG chịu trách nhiệm về cài đặt độ lợi, tải phần RC thứ ba, cho phép opamp thứ 4 trong opamp quad hoạt động như một bộ đệm cho phần RC này. Điều này làm cho mức hiệu quả đạt được giá trị lý tưởng.
Chúng ta có thể trích xuất một sóng sin có độ méo thấp từ bất kỳ giai đoạn nào của bộ dao động dịch pha, nhưng sóng sin tự nhiên nhất có thể được lấy từ đầu ra của phần RC cuối cùng.
Đây thường là đường giao nhau dòng điện thấp trở kháng cao, do đó mạch có tầng đầu vào trở kháng cao phải được sử dụng ở đây để tránh tải và độ lệch tần số khi đáp ứng với các biến thể tải.
Bộ dao động cầu phương
Bộ dao động cầu phương là một phiên bản khác của bộ dao động dịch pha, tuy nhiên ba giai đoạn RC được kết hợp với nhau theo cách mà mỗi phần cộng lại 90 ° dịch pha.
Các đầu ra được đặt tên là sin và cosine (vuông góc) đơn giản vì tồn tại sự lệch pha 90 ° giữa các đầu ra opamp. Độ lợi vòng lặp được xác định thông qua công thức 4.
Với ⍵ = 1 / RC , Phương trình 5 đơn giản hóa thành 1√ - 180 ° , dẫn đến dao động ở ⍵ = 2πpf = 1 / RC.
Mạch được thử nghiệm phát xung ở tần số 1,65 kHz so với giá trị tính toán là 1,59 kHz và sự khác biệt chủ yếu là do các biến thể giá trị một phần.
Bộ tạo dao động Bubba
Bộ tạo dao động Bubba được trình bày ở trên là một biến thể khác của bộ tạo dao động dịch pha, nhưng nó được hưởng lợi từ gói op-amp quad để tạo ra một vài tính năng đặc biệt.
Bốn phần RC yêu cầu độ lệch pha 45 ° cho mỗi phần, có nghĩa là bộ dao động này đi kèm với một dΦ / dt vượt trội để giảm độ lệch tần số.
Mỗi phần RC tạo ra dịch pha 45 °. Có nghĩa là, vì chúng ta có đầu ra từ các phần thay thế đảm bảo đầu ra vuông góc trở kháng thấp.
Bất cứ khi nào một đầu ra được trích xuất từ mỗi opamp, mạch sẽ tạo ra bốn sóng sin dịch pha 45 °. Phương trình vòng lặp có thể được viết dưới dạng:
Khi nào ⍵ = 1 / RCs , các phương trình trên thu gọn thành các phương trình 7 và 8 sau đây.
Độ lợi A phải đạt đến giá trị 4 thì mới bắt đầu dao động.
Mạch phân tích dao động ở tần số 1,76 kHz trái ngược với tần số lý tưởng 1,72 kHz trong khi độ lợi dường như là 4,17 thay vì độ lợi lý tưởng là 4.
Do mức tăng giảm ĐẾN và op-amps dòng thiên vị thấp, điện trở RG chịu trách nhiệm sửa lỗi tăng không tải phần RC cuối cùng. Điều này đảm bảo đầu ra tần số dao động chính xác nhất.
Các sóng sin có độ méo cực thấp có thể thu được từ điểm giao nhau của R và RG.
Bất cứ khi nào cần các sóng sin có độ méo thấp trên tất cả các đầu ra, độ lợi thực sự phải được phân bổ đều cho tất cả các opamps.
Đầu vào không đảo ngược của op-amp khuếch đại được thiên vị ở 0,5 V để tạo ra điện áp đầu ra tĩnh ở 2,5 V. Phân bố độ lợi đòi hỏi phải có xu hướng của các op-amp khác, nhưng nó chắc chắn không có bất kỳ tác động nào đến tần số dao động.
Kết luận
Trong phần thảo luận ở trên, chúng ta đã hiểu rằng các bộ dao động dịch pha Op amp bị hạn chế ở đầu dưới của dải tần.
Điều này là do thực tế là các bộ khuếch đại không có băng thông cần thiết để triển khai dịch pha thấp ở tần số cao hơn.
Việc áp dụng op-amps phản hồi dòng điện hiện đại trong các mạch dao động có vẻ khó khăn vì chúng rất nhạy cảm với điện dung phản hồi.
Op-amps phản hồi điện áp bị hạn chế chỉ ở một vài 100 kHz vì chúng tạo ra sự lệch pha quá mức.
Bộ tạo dao động Wien-bridge hoạt động bằng cách sử dụng một số ít bộ phận và độ ổn định tần số của nó là rất chấp nhận được.
Tuy nhiên, giảm độ méo trong bộ dao động cầu Wien ít dễ dàng hơn so với việc bắt đầu quá trình dao động.
Bộ dao động cầu phương chắc chắn chạy bằng cách sử dụng một vài op-amps, nhưng nó bao gồm độ méo cao hơn nhiều. Tuy nhiên, các bộ dao động dịch pha, như bộ tạo dao động Bubba có độ méo thấp hơn nhiều cùng với một số ổn định tần số tốt.
Phải nói rằng, chức năng nâng cao của loại dao động dịch pha này không hề rẻ do chi phí cao hơn của các bộ phận liên quan trong các giai đoạn khác nhau của mạch.
Các trang web liên quan
www.ti.com/sc/amplifier
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
Trước: Bộ tạo dao động Op amp Tiếp theo: Mạch Khuếch đại Công suất 1000 watt đến 2000 watt
