Begrip actieve oscillators

Een actieve oscillator is een elektronische schakeling die een continue, repetitieve golfvorm genereert zonder dat er een extern ingangssignaal nodig is zodra er stroom wordt ingezet. Het fundamentele principe achter elke oscillator is positieve feedback: een fractie van het uitgangssignaal wordt op een zodanige wijze aan de ingang gevoerd dat het het oorspronkelijke signaal versterkt. Voor aanhoudende oscillaties moeten twee voorwaarden, bekend als de Barkhausen-criteria[, worden voldaan: de loopwinst (het product van de versterkerwinst en de terugkoppelingsnetwerkafzwakking) precies eenheid zijn (Aβ = 1), en de totale faseverschuiving rond de lus moet een geheel veelvoud zijn van 360° (0° modulo 360°). In de praktijk wordt de loopwinst aanvankelijk iets hoger ingesteld dan eenheid om te beginnen met oscillaties, en een amplitudestabilisatiemechanisme vermindert het tot eenheid zodra de gewenste amplitude is bereikt.

Actieve oscillatoren worden ingedeeld naar het type golfvorm dat zij produceren. [Sine-golf oscillatoren (zoals Wienbrug, faseverschuiving en LC tank oscillatoren) genereren zuivere sinusvormige signalen met lage vervorming, waardoor ze ideaal zijn voor audio-, radio-frequentie- en precisietesttoepassingen. De keuze van oscillatoren voor oscillatoren voor oscillatie produceren niet-sinusoïdale golfvormen zoals vierkant, driehoek of zaagtandgolven, die essentieel zijn voor timingscircuits en digitale logicatests. De keuze van oscillatortopologie hangt af van het vereiste frequentiebereik, stabiliteit, golfvormzuiverheid en het tuning-gemak. Op ampthon oscillatoren zijn bijzonder aantrekkelijk omdat ze hoge winst, hoge ingangsimpedantie, lage output impendantie en veelzijdige feedbackconfiguraties combineren, waardoor nauwkeurige controle over frequentie en amplitude mogelijk is over een breed bereik.

Op versterkers in Oscillator Design

Operationele versterkers zijn de actieve gain elementen in veel oscillator circuits vanwege hun uitstekende prestaties. Een typische algemene toepassing op amp biedt een open-loop winst van meer dan 100 dB, hoge ingangsweerstand (megaohms aan gigaohms), en lage output weerstand (tens van ohms). Deze eigenschappen kunnen de ontwerper om het feedback netwerk te behandelen als bijna ideaal, geïsoleerd van de versterker belastingseffecten. Sleutel op amp parameters die oscillator ontwerp beïnvloeden omvatten ]wwwaaiersnelheid[, gain-bandbreedte product (GBP)[, en []input offset spanning[.

Sleefsnelheid beperkt de maximale veranderingssnelheid van de uitgangsspanning. Voor hogefrequentie sinusgolfoscillatoren moet de op amp een sleesnelheid hebben die hoog genoeg is om de golfvorm zonder vervorming te reproduceren; anders zal de output driehoekig worden en de zuiverheid verliezen. Het product van de gainbandbreedte bepaalt de maximale frequentie waarbij de op amp een bepaalde gesloten lus kan opleveren. Oscillators die standaard op versterkers zoals de LM741 of TL071 gebruiken, zijn doorgaans beperkt tot een paar honderd kilohertz, terwijl hoge snelheid op versterkers (bijv. LM717171, OPA847) oscillationfrequenties kunnen uitbreiden tot het megahertz-bereik. Input offsetspanning[] en zijn drift met temperatuur kan de oscillation frequentie en amplitude verschuiven; in precisietoepassingen, lage-off-versterkers (bijv. OP27) moeten worden geselecteerd.

Op versterkers vereenvoudigen ook de implementatie van automatische gain control (AGC). Veel oscillator ontwerpen bevatten een niet-lineair element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Wienbrug-oscillator

De Wien brug oscillator is een van de bekendste sinusgolf generatoren met behulp van een op amp. Het bestaat uit een niet-inverterende versterker (gain ingesteld door weerstanden Rf en Rg[) en een frequentie-selectieve feedback netwerk bestaande uit twee series RC armen en twee parallelle RC armen. Bij de resonant frequentie f]0[] = 1 / (2πRC), het feedback netwerk biedt een faseverschuiving van 0° en een afzwakking van 1/3. Om aan het Barkhausen criterium te voldoen, moet de op amp ampères niet-inverterende winst precies 3 (d.w.z., R[[[FLT:]]/R[[FLT:]]]g[[]] = 2).

De klassieke Wien brug oscillator gebruikt een gloeilamp (of een thermoistor) in plaats van Rf of Rg[]. Naarmate de uitgangsamplitude stijgt, verwarmt de lamp, verhoogt de weerstand en vermindert de winst. Dit negatieve feedbackmechanisme zorgt voor een uitstekende amplitudestabiliteit en een zeer lage vervorming (minder dan 0,1 % THD in goed ontworpen circuits). Een modern alternatief vervangt de lamp door een JFET die werkt als een spanningsgestuurde weerstand, aangedreven door een diode-gelijkrichter en een DC-regellus. Deze aanpak biedt snellere insteltijden en betere temperatuurstabiliteit.

Belangrijkste ontwerpoverwegingen voor de Wienbrug oscillator:

  • Frequentiebereik: Standaard RC waarden kunnen worden afgestemd van een paar hertz tot enkele honderden kilohertz. Dual-ganged potentiometers (R of C) maken continue tuning mogelijk.
  • Vervorming: gebruik lage vervorming op versterkers (bv. NE5532, OPA2134) en hoogwaardige condensatoren (polyester of polypropyleen).
  • Outputbuffer: Een unity-gain buffer na de oscillator (of met behulp van de op amp
  • Afstoting voeding: Ontkoppel voedingspennen met 0,1 μF keramische condensatoren dicht bij het IC om parasitaire oscillaties te voorkomen.

Voor een praktisch ontwerp kan een typische Wien brug oscillator met een LM741 en een 10 nF condensator een schone sinusgolf produceren bij 1,59 kHz met R = 10 kΩ. Voor instelbare frequentie, vervang de vaste weerstanden door een 10 kΩ dubbele potentiometer en verander de condensator naar 100 nF om een lager bereik te verkrijgen (≈ 159 Hz tot 1,59 kHz).

Faseverschuivingsoscillator

De fase-shift oscillator is een ander werkpaard voor het genereren van sinusgolven, vooral bij lagere frequenties (meestal onder 10 kHz). Het maakt gebruik van een enkele op versterker in een omkerende configuratie, met een feedback netwerk bestaande uit drie of vier cascaded RC high-pass of low-pass filters. Elk RC sectie biedt een faseverschuiving van maximaal 60°; drie secties geven 180° van faseverschuiving bij een specifieke frequentie. In combinatie met de 180° inversie van de inverting versterker, wordt de totale loopfase 360°, die voldoet aan het Barkhausen criterium. De demping van het RC netwerk bij de oscillation frequentie is . .29 (voor drie identieke secties), zodat de op versterkers gesloten-loop winst moet ten minste 29 om oscillation te ondersteunen.

De oscillatiefrequentie voor een drietraps RC fase-shift oscillator (met alle weerstanden gelijk aan R en alle condensatoren gelijk aan C) is:

f0 = 1 / (2πRC √6) ≈ 0,065 / RC

De vereiste winst (invloed) is

Voordelen van de faseverschuivingsoscillator zijn de eenvoud (slechts één op versterker en een handvol passieve componenten) en een goede frequentiestabiliteit bij het gebruik van hoogwaardige weerstanden en condensatoren. Het is echter moeilijker af te stemmen dan de Wien brugoscillator omdat frequentieaanpassing gelijktijdige variatie van alle R- of alle C-componenten vereist. Daarnaast kan de outputamplitude minder stabiel en gevoeliger zijn voor op amp niet-idealiteiten zoals ingangsvooroordeel stroom en eindige open-loop winst. Voor verbeterde prestaties, gebruik een JFET- of diode-limit AGC-netwerk vergelijkbaar met die gebruikt in Wien brugontwerpen.

Ontspanningsoscillator (Square and Triangular Waveforms)

Voor test- en meettoepassingen die niet-sinusoïdale signalen vereisen, zijn op amp. gebaseerde ontspanningsoscillatoren onmisbaar. De klassieke astable multivibratorcircuits maken gebruik van een opversterker met positieve feedback (niet-inverterende ingang aangesloten op een spanningsverdeler) en negatieve feedback via een RC timing netwerk. De uitgang schakelt tussen de positieve en negatieve verzadigingsspanningen (meestal ±VSAT HPLC ±V[-CC[]

T = 2RC In(1 + 2R2/R1)

waarbij R[1 en R2 de feedbackverdeler vormen. Door het circuit met een stroombron (een transistor of een andere op amp) te wijzigen, kan de condensator lineair worden opgeladen, waardoor een driehoekige golf ontstaat. Het toevoegen van een vergelijkings- of Schmitt-trigger levert een vierkante golf op. Veel functiegenerator IC's (bijv. ICL8038, MAX038) zijn in wezen geoptimaliseerde ontspanningsoscillatoren, maar discrete op amp-ontwerpen bieden een hogere flexibiliteit en lagere kosten voor eenmalige of prototype-instrumenten.

Praktische tips voor ontspanningsoscillatoren:

  • Gebruik rail-to-rail uitgang op versterkers voor grotere spanningswisselingen bij het werken vanaf lage voedingsspanningen.
  • Voeg een referentiespanning toe aan de omkeringsinput om het uitgangsgolfvorm DC-niveau te verschuiven (handig voor bipolaire testsignalen).
  • Buffer de uitgang met een aparte op amp om te voorkomen dat de belasting capaciteit van invloed op de timing.
  • Voor hoge snelheid vierkante golven (> 100 kHz), selecteer een op amp met een adequate zwenksnelheid en overwegen in plaats daarvan een speciale vergelijking.

Ontwerpoverwegingen voor betrouwbare oscillatie

Het creëren van een robuuste actieve oscillator vereist zorgvuldige aandacht voor verschillende praktische factoren buiten de theoretische topologie van het circuit.

Componentselectie en toleranties

De oscillatiefrequentie is rechtstreeks afhankelijk van de waarden van weerstanden en condensatoren. Gebruik componenten met lage temperatuurcoëfficiënten (bijv. ±50 ppm/°C of beter) en strakke toleranties (1 % of 0,1 %). Voor de hoogste stabiliteit, overwegen NPO (C0G) keramische of polypropyleen condensatoren en metaalfilm weerstanden. In tunable oscillatoren, gebruik multi-turn trimmers of precisie potentiometers om de frequentie nauwkeurig in te stellen.

Voeding en ontkoppeling

Op amp oscillatoren zijn gevoelig voor voeding ruis en rimpel. Gebruik lineaire regelaars (low-dropout types) om een schone voedingsspanning te bieden. Plaats een 10 μF elektrolytische condensator en een 0,1 μF keramische condensator zo dicht mogelijk bij de IC . Voor dubbele voeding werking, ervoor te zorgen dat de positieve en negatieve rails symmetrisch zijn; anders kan de output golfvorm asymmetrisch worden geknipt. In batterij-aangedreven instrumenten, een oplaadpomp converter of geïsoleerde DC-DC module kan een bipolaire voeding van een enkele batterij genereren.

Amplitude Stabilisatie en vervormingsreductie

Zonder enige vorm van automatische gain control zal de oscillator output amplitude groeien totdat het knippen optreedt (als lus gain > 1) of vervallen tot nul (als loop gain < 1). De eenvoudigste AGC gebruikt een JFET als een spanningsgestuurde weerstand in de versterker . feedback pad gedreven door een gerectificeerde en gefilterde versie van het uitgangssignaal . Deze methode bereikt totale harmonische vervorming (THD) onder 0,05 % voor sinus-golf oscillatoren . Als alternatief , een paar back-to-back diodes (bijv , 1N4148) parallel met een van de gain-setting weerstanden biedt een ruwe niet-lineaire beperking , hoewel vervorming is hoger (gewoonlijk 0,5 % tot 1 % THD). Voor ultra-laag-vervorming toepassingen (THD < 0,001) , een precisie-gelijkrichter gevolgd door een integratie op versterker die een fotogeleidingscel (zoals een lichtafhankelijke weerstand) of een analoge multiplicator.

PCB-indeling en parasitica

Bij hogere frequenties (boven 100 kHz), parasitaire capaciteit en inductie in PCB sporen kunnen ongewenste fase verschuivingen of ongewenste oscillaties introduceren. Houd feedbackpaden kort en direct, gebruik een grondvlak om het loopgebied te minimaliseren, en routing hoge-impedantie nodes in de buurt van luidruchtige digitale signalen te vermijden. Oppervlakte-montage componenten bieden lagere parasitaire elementen dan door-gat delen. In gevoelige ontwerpen, plaats een kleine condensator (10 pF tot 100 pF) over de feedback weerstand om de op versterkers uit te rollen winnen bij hoge frequenties, waardoor oscillatie bij onbedoelde harmonischen voorkomen.

Toepassingen in test en meting

Op amp. gebaseerde actieve oscillatoren zijn ingebed in een breed scala aan test- en meetinstrumenten, zowel als specifieke signaalbronnen als als subcircuits binnen grotere systemen.

  • Function Generators: Low-cost banktop en draagbare functie generatoren gebruiken vaak Wien brug oscillatoren voor hun sinusgolf uitgang, gecombineerd met ontspanning oscillatoren voor vierkante en driehoekige golven. De frequentie kan elektronisch worden geveegd door het AGC-element te besturen of door de RC tijdconstante te variëren met een spanningsgestuurde weerstand.
  • Kalibrators en standaarden: Precisie oscillatoren (bv. 1 kHz, 10 kHz) worden gebruikt om AC voltmeters, spectrumanalysers en audiotestsets te kalibreren. Een Wienbrug oscillator met een op thermoistor gebaseerde AGC kan frequentiestabiliteit bereiken in de orde van 0,01 % over een matig temperatuurbereik.
  • Impedantie- en netwerkanalysers: Deze instrumenten vereisen een laag vervormende sinusgolfbron over een breed frequentiebereik. Faseverschuivingsoscillaties worden soms gebruikt in de lagere banden (10 Hz tot 10 kHz) waar hun eenvoud en lage kosten voordelig zijn.
  • Signale simulatie: Bij communicatie- en radartesten kunnen op amp oscillatoren gemoduleerde golfvormen (AM, FM) genereren door een modulatiesignaal in de AGC of frequentie-controle ingang te voeren. Ontspannen oscillatoren bieden snel opkomende vierkante golven voor digitale logische testpatronen.
  • Sensorspanning: Veel weerbestendige of capacitieve sensoren hebben een AC-opwindingssignaal nodig om polarisatie te voorkomen of om complexe impedantie te meten. Een op amp-oscillator biedt een schone, instelbare sinusgolf voor het rijden op brugcircuits of LVDT's (lineaire variabele differentiaaltransformatoren).

Bij het selecteren of ontwerpen van een oscillator voor een testsysteem, zijn de belangrijkste specificaties die moeten worden overwogen frequentiebereik (met tuningmethode), amplitudestabiliteit (langdurige drift en temperatuurcoëfficiënt), totale harmonische vervorming (THD), uitvoerimpedantie en outputamplitudebereik. Typische commerciële functiegeneratoren geven frequentienauwkeurigheid van ±0,1 % en THD onder 0,5 % voor sinusgolven; een goed ontworpen op amp oscillator kan deze cijfers met de juiste componentenkeuzes en stabilisatie overeenkomen of overtreffen.

Voor meer informatie over circuitontwerp en optimalisatie, verwijzen naar de volgende bronnen:

Samengevat, op amp actieve oscillatoren blijven een praktische, flexibele en kosteneffectieve oplossing voor het genereren van testsignalen over een breed scala van frequenties en golfvormen. Door het begrijpen van de onderliggende principes .Barkhausen criteria, frequentie bepaling, en amplitude stabilisatie ..engineers kunnen betrouwbare oscillatoren die voldoen aan de veeleisende eisen van moderne test- en meettoepassingen te creëren.