Osilator Op amp

Sebuah osilator yang dibangun menggunakan op amp sebagai elemen aktifnya disebut osilator op amp.

Dalam posting ini kita belajar bagaimana merancang osilator berbasis opamp, dan mengenai banyak faktor penting yang diperlukan untuk menghasilkan desain osilator yang stabil.

Osilator berbasis op amp biasanya digunakan untuk menghasilkan bentuk gelombang periodik yang presisi seperti persegi, gigi gergaji, segitiga, dan sinusoidal.

Umumnya mereka beroperasi menggunakan satu perangkat aktif, atau lampu, atau kristal, dan dihubungkan dengan beberapa perangkat pasif seperti resistor, kapasitor, dan induktor, untuk menghasilkan keluaran.

Kategori Osilator Op-amp

Anda akan menemukan beberapa kelompok utama osilator: relaksasi dan sinusoidal.

Osilator relaksasi menghasilkan bentuk gelombang segitiga, gigi gergaji, dan non-specklesuoidal lainnya.

Osilator sinusoidal menggabungkan op-amp menggunakan bagian tambahan yang digunakan untuk membuat osilasi, atau kristal yang memiliki generator osilasi internal.

Osilator gelombang sinus digunakan sebagai sumber atau bentuk gelombang uji dalam berbagai aplikasi rangkaian.

Osilator sinusoidal murni hanya menampilkan frekuensi individu atau dasar: idealnya tanpa harmonisa.

Akibatnya, gelombang sinusoidal dapat menjadi masukan ke rangkaian, menggunakan harmonisa keluaran yang dihitung untuk memperbaiki tingkat distorsi.

Bentuk gelombang dalam osilator relaksasi dihasilkan melalui gelombang sinusoidal yang dijumlahkan untuk menghasilkan bentuk yang ditentukan.

Osilator berguna untuk menghasilkan impuls yang konsisten yang digunakan sebagai referensi dalam aplikasi seperti audio, generator fungsi, sistem digital, dan sistem komunikasi.

Osilator Gelombang Sinus

Osilator sinusoidal terdiri dari op-amp yang menggunakan rangkaian RC atau LC yang berisi frekuensi osilasi yang dapat disesuaikan, atau kristal yang memiliki frekuensi osilasi yang telah ditentukan.

Frekuensi dan amplitudo osilasi ditentukan oleh pemilihan bagian pasif dan aktif yang dihubungkan dengan op-amp pusat.

Osilator berbasis op-amp adalah rangkaian yang dibuat tidak stabil. Bukan tipe yang terkadang dikembangkan atau dirancang secara tidak terduga di laboratorium, melainkan tipe yang sengaja dibangun untuk terus berada dalam kondisi tidak stabil atau berosilasi.

Osilator Op-amp diikat ke ujung bawah rentang frekuensi karena opamp kekurangan bandwidth yang diperlukan untuk mengimplementasikan pergeseran fasa rendah pada frekuensi tinggi.

Opamp tegangan-umpan balik dibatasi pada rentang kHz rendah karena kutub loop terbuka utamanya seringkali sekecil 10 Hz.

Opamp arus-umpan balik modern dirancang dengan lebar pita yang jauh lebih luas, tetapi ini sangat sulit diterapkan di rangkaian osilator karena peka terhadap kapasitansi umpan balik.

Osilator kristal direkomendasikan dalam aplikasi frekuensi tinggi dalam kisaran ratusan MHz.

Kebutuhan dasar

Dalam tipe paling dasar, juga disebut tipe kanonik, metode umpan balik negatif digunakan.

Ini menjadi prasyarat untuk memulai osilasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Di sini kita melihat diagram blok untuk metode seperti itu di mana VIN ditetapkan sebagai tegangan input.

Vout menandakan keluaran dari blok A.

β menunjukkan sinyal, juga disebut faktor umpan balik, yang disuplai kembali ke persimpangan penjumlahan.

E menandakan elemen kesalahan yang setara dengan jumlah faktor umpan balik dan tegangan input.

Persamaan yang dihasilkan untuk rangkaian osilator dapat dilihat di bawah ini. Persamaan pertama adalah persamaan penting yang mendefinisikan tegangan keluaran. Persamaan 2 memberikan faktor kesalahan.

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

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

Menghilangkan faktor kesalahan E dari persamaan di atas memberikan

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

Mengekstrak elemen di Vout memberi

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

Menata kembali suku-suku dalam persamaan di atas memberi kita rumus umpan balik klasik berikut melalui persamaan # 5

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

Osilator mampu bekerja tanpa bantuan sinyal eksternal. Sebaliknya, sebagian dari pulsa keluaran digunakan sebagai masukan melalui jaringan feeedback.

Osilasi dimulai ketika umpan balik gagal mencapai kondisi stabil yang stabil. Ini terjadi karena tindakan transfer tidak terpenuhi.

Ketidakstabilan ini terjadi jika penyebut persamaan # 5 menjadi nol, seperti yang ditunjukkan di bawah ini:

1 + Aβ = 0, atau Aβ = -1.

Hal krusial saat mendesain rangkaian osilator adalah memastikan Aβ = -1. Kondisi ini disebut Kriteria Barkhausen .

Untuk memenuhi kondisi ini, menjadi penting bahwa nilai gain loop tetap pada kesatuan melalui pergeseran fasa 180 derajat yang sesuai. Ini dipahami dengan tanda negatif dalam persamaan.

Hasil di atas dapat diekspresikan secara alternatif seperti yang ditunjukkan di bawah ini menggunakan simbol dari Aljabar kompleks:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Saat merancang osilator umpan balik positif, persamaan di atas dapat ditulis sebagai:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° yang membuat istilah Aβ dalam persamaan # 5 negatif.

Ketika Aβ = -1 output umpan balik cenderung bergerak menuju tegangan tak terbatas.

Ketika ini mendekati level suplai maksimum + atau -, perangkat aktif level penguatan di sirkuit berubah.

Hal ini menyebabkan nilai A menjadi Aβ ≠ -1, memperlambat pendekatan tegangan umpan balik tak hingga, akhirnya menghentikannya.

Di sini kita dapat menemukan salah satu dari tiga kemungkinan yang terjadi:

1. Saturasi atau cut-off non-linier menyebabkan osilator menjadi stabil dan terkunci.
2. Muatan awal memaksa sistem untuk jenuh dalam waktu yang lama sebelum kembali menjadi linier dan mulai mendekati rel suplai yang berlawanan.
3. Sistem terus berada di wilayah linier, dan kembali ke jalur suplai yang berlawanan.

Dalam kasus kemungkinan kedua, kita mendapatkan osilasi yang sangat terdistorsi, umumnya dalam bentuk gelombang kuasi persegi.

Apa Pergeseran fasa dalam osilator

Pergeseran fasa 180 ° dalam persamaan Aβ = 1 ㄥ -180 ° dibuat melalui komponen aktif dan pasif.

Sama seperti rangkaian umpan balik yang dirancang dengan benar, osilator dibangun berdasarkan pergeseran fasa dari komponen pasif.

Ini karena hasil dari komponen pasif tepat dan praktis bebas penyimpangan. Pergeseran fasa yang diperoleh dari komponen aktif sebagian besar tidak akurat karena banyak faktor.

Ini mungkin melayang dengan perubahan suhu, mungkin menunjukkan toleransi awal yang luas, dan juga hasilnya dapat bergantung pada karakteristik perangkat.

Op amp dipilih untuk memastikan bahwa mereka membawa pergeseran fasa minimum ke frekuensi osilasi.

Rangkaian RL (resistor-induktor) atau RC (resistor-caapcitor) kutub tunggal menghasilkan sekitar 90 ° pergeseran fasa per kutub.

Karena 180 ° diperlukan untuk osilasi, minimal dua kutub digunakan saat merancang osilator.

Sirkuit LC memiliki 2 kutub oleh karena itu, ia menyediakan sekitar 180 ° pergeseran fasa untuk setiap pasangan kutub.

Namun kami tidak akan membahas desain berbasis LC di sini karena involvemenet induktor frekuensi rendah yang bisa mahal, besar, dan tidak diinginkan.

Osilator LC ditujukan untuk aplikasi frekuensi tinggi, yang mungkin melebihi dan di atas rentang frekuensi opamp berdasarkan prinsip umpan balik tegangan.

Di sini Anda mungkin menemukan ukuran induktor, berat, dan biaya tidak terlalu penting.

Pergeseran fasa memastikan frekuensi osilasi sejak rangkaian berdenyut pada frekuensi yang mengambil pergeseran fasa 180 derajat. Df / dt atau laju di mana pergeseran fasa berubah dengan frekuensi, menentukan stabilitas frekuensi.

Ketika bagian RC buffer berjenjang digunakan dalam bentuk opamp, menawarkan impedansi input tinggi dan output rendah, pergeseran fasa dikalikan dengan jumlah bagian, n (lihat Gambar di bawah).

Terlepas dari kenyataan bahwa dua bagian RC bertingkat menghadirkan pergeseran fasa 180 °, Anda mungkin menemukan dФ / dt menjadi minimal pada frekuensi osilator.

Akibatnya osilator dibangun menggunakan dua menawarkan bagian RC bertingkat tidak memadai stabilitas frekuensi.

Tiga bagian filter RC bertingkat yang identik memberikan peningkatan dФ / dt, memungkinkan osilator dengan stabilitas frekuensi yang ditingkatkan.

Namun, memperkenalkan bagian RC keempat menciptakan osilator dengan luar biasa dФ / dt.

Karenanya ini menjadi pengaturan osilator yang sangat stabil.

Empat bagian menjadi kisaran yang disukai terutama karena opamp tersedia dalam paket quad.

Juga, osilator empat bagian menghasilkan 4 gelombang sinus yang bergeser fase 45 ° dengan mengacu satu sama lain, yang berarti osilator ini memungkinkan Anda untuk menangkap gelombang sinus / cosinus atau quadrature sinus.

Menggunakan Resonator Kristal dan Keramik

Resonator kristal atau keramik memberi kita osilator paling stabil. Hal ini karena resonator memiliki dФ / dt yang sangat tinggi sebagai hasil dari sifat nonliniernya.

Resonator diterapkan dalam osilator frekuensi tinggi, namun osilator frekuensi rendah biasanya tidak berfungsi dengan resonator karena kendala ukuran, berat, dan biaya.

Anda akan menemukan bahwa op-amp tidak digunakan dengan osilator resonator keramik terutama karena opamp menyertakan bandwidth yang berkurang.

Studi menunjukkan bahwa lebih murah untuk membangun osilator kristal frekuensi tinggi dan memangkas keluaran untuk mendapatkan frekuensi rendah daripada menggunakan resonator frekuensi rendah.

Keuntungan dalam osilator

Penguatan osilator harus cocok satu pada frekuensi osilasi. Desain menjadi stabil setelah penguatan lebih besar dari 1 dan osilasi terhenti.

Segera setelah penguatan mencapai lebih dari 1 bersama dengan pergeseran fasa –180 °, properti non linier perangkat aktif (opamp) menurunkan penguatan ke 1.

Ketika non-linearitas terjadi, opamp berayun di dekat level suplai (+/-) karena pengurangan cut-off atau saturasi penguatan perangkat aktif (transistor).

Satu hal yang aneh adalah sirkuit yang dirancang dengan buruk sebenarnya menuntut keuntungan marjinal lebih dari 1 selama produksinya.

Di sisi lain, penguatan yang lebih tinggi menyebabkan jumlah distorsi yang lebih besar untuk gelombang sinus keluaran.

Dalam kasus di mana keuntungan minimal, osilasi berhenti dalam keadaan yang sangat tidak menguntungkan.

Ketika penguatan sangat tinggi, bentuk gelombang keluaran tampak jauh lebih mirip dengan gelombang persegi daripada gelombang sinus.

Distorsi biasanya merupakan konsekuensi langsung dari penguatan berlebihan yang berlebihan pada amplifier.

Oleh karena itu, penguatan harus diatur dengan hati-hati untuk mencapai osilator distorsi rendah.

Osilator pergeseran fasa dapat menunjukkan distorsi, namun osilator tersebut mungkin memiliki kemampuan untuk mencapai tegangan keluaran distorsi rendah menggunakan bagian RC bertingkat buffered.

Ini karena bagian RC bertingkat berperilaku sebagai filter distorsi. Selain itu, osilator pergeseran fasa buffer mengalami distorsi rendah karena penguatan diatur dan diseimbangkan secara seragam di antara buffer.

Kesimpulan

Dari pembahasan di atas kita mempelajari prinsip kerja dasar osilator opamp dan memahami tentang kriteria dasar untuk mencapai osilasi berkelanjutan. Di posting berikutnya kita akan belajar tentang Osilator jembatan Wien .