Phase Shift Oscillator - Jembatan Wien, Buffered, Quadrature, Bubba

Osilator pergeseran fasa adalah rangkaian osilator yang dirancang untuk menghasilkan keluaran gelombang sinus. Ini beroperasi dengan satu elemen aktif seperti BJT atau op amp yang dikonfigurasi dalam mode penguat pembalik.

Susunan rangkaian menghasilkan umpan balik dari keluaran ke masukan melalui penggunaan rangkaian RC (resistor / kapasitor) yang disusun dalam jaringan jenis tangga. Pengenalan umpan balik ini menyebabkan 'pergeseran' positif pada fasa keluaran dari penguat sebesar 180 derajat pada frekuensi osilator.

Besarnya pergeseran fasa yang dibuat oleh jaringan RC bergantung pada frekuensi. Frekuensi osilator yang lebih tinggi menciptakan jumlah pergeseran fasa yang lebih besar.

Penjelasan lengkap berikut akan membantu kita mempelajari konsep tersebut secara lebih rinci.

Dalam posting sebelumnya kami belajar tentang pertimbangan kritis yang diperlukan saat merancang osilator pergeseran fasa berbasis op-amp. Dalam posting ini kami akan membahasnya lebih jauh dan mengetahui lebih banyak tentang jenis osilator pergeseran fasa dan cara menghitung parameter yang terlibat melalui rumus.

Sirkuit jembatan Wien

Diagram yang diberikan di bawah ini menunjukkan pengaturan rangkaian jembatan Wien.

Di sini, kita dapat memutus loop pada input positif opamp dan menghitung sinyal yang kembali menggunakan Persamaan 2 berikut:

Kapan ⍵ = 2πpf = 1 / RC , umpan balik dalam fase (umpan balik positif), memiliki keuntungan 1/3 .

Oleh karena itu osilasi membutuhkan rangkaian opamp untuk memiliki gain 3.

Saat R F = 2R G , penguatan penguat adalah 3 dan osilasi dimulai pada f = 1 / 2πRC.

Dalam percobaan kami, sirkuit berosilasi pada 1,65 kHz daripada 1,59 kHz menggunakan nilai bagian yang ditunjukkan pada Gambar 3, tetapi dengan distorsi yang jelas.

Gambar berikut ini menunjukkan rangkaian jembatan Wien yang memiliki umpan balik non-linier .

Kita dapat melihat lampu RL yang resistansi filamennya dipilih sangat rendah, sekitar 50% dari nilai resistansi umpan balik RF, karena arus lampu ditentukan oleh RF dan RL.

Hubungan antara arus lampu dan tahanan lampu menjadi nonlinier, membantu menjaga variasi tegangan keluaran pada level minimum.

Anda juga dapat menemukan banyak rangkaian yang menggabungkan dioda daripada konsep elemen umpan balik nonlinier yang dijelaskan di atas.

Penggunaan dioda membantu menurunkan tingkat distorsi dengan menawarkan kontrol tegangan keluaran yang lembut.

Namun jika metode di atas tidak menguntungkan Anda maka Anda harus menggunakan metode AGC, yang secara identik membantu mengurangi distorsi.

Osilator jembatan Wien yang umum menggunakan rangkaian AGC ditampilkan pada gambar berikut.

Di sini, sampel gelombang sinus negatif melalui D1, dan sampel disimpan di dalam C1.

R1 dan R2 dihitung sedemikian rupa sehingga memusatkan bias pada Q1 untuk memastikan bahwa (R G + R P1 ) sama dengan R F / 2 dengan tegangan keluaran yang diharapkan.

Jika tegangan keluaran cenderung semakin tinggi, resistansi Q1 meningkat, akibatnya menurunkan penguatan.

Pada rangkaian osilator jembatan Wien pertama, suplai 0,833 volt dapat dilihat diterapkan pada pin input opamp positif. Ini dilakukan untuk memusatkan tegangan diam keluaran pada VCC / 2 = 2,5 V.

Osilator pergeseran fasa (satu opamp)

Osilator pergeseran fasa juga dapat dibangun dengan hanya menggunakan satu opamp seperti yang ditunjukkan di atas.

Pemikiran konvensional adalah bahwa dalam rangkaian pergeseran fasa tahapan-tahapan tersebut terisolasi dan mengatur sendiri satu sama lain. Ini memberi kita persamaan berikut:

Jika pergeseran fasa dari bagian individu adalah –60 °, pergeseran fasa loop adalah = –180 °. Ini terjadi ketika ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC karena garis singgung 60 ° = 1,73.

Nilai β saat ini kebetulan adalah (1/2)³, yang berarti penguatan, A, harus dengan level 8 agar penguatan sistem memiliki level 1.

Dalam diagram ini frekuensi osilasi untuk nilai bagian yang ditunjukkan adalah 3,76 kHz, dan tidak sesuai dengan frekuensi osilasi yang dihitung 2,76 kHz.

Selain itu, penguatan yang diperlukan untuk memulai osilasi diukur menjadi 26 dan tidak sesuai dengan perolehan 8 yang dihitung.

Jenis ketidakakuratan ini sampai batas tertentu disebabkan oleh ketidaksempurnaan komponen.

Namun aspek yang paling berpengaruh signifikan adalah karena prediksi yang salah bahwa tahapan RC tidak pernah berdampak satu sama lain.

Pengaturan rangkaian opamp tunggal ini dulunya cukup terkenal pada saat komponen aktif berukuran besar dan harga tinggi.

Saat ini op-amps ekonomis dan kompak dan tersedia dengan empat nomor dalam satu paket, oleh karena itu osilator pergeseran fasa opamp tunggal akhirnya kehilangan pengenalannya.

Osilator pergeseran fasa buffer

Kita dapat melihat osilator pergeseran fasa buffer pada gambar di atas, berdenyut pada 2,9 kHz alih-alih frekuensi ideal yang diharapkan sebesar 2,76 kHz, dan dengan penguatan sebesar 8,33 sebagai lawan dari penguatan ideal 8.

Buffer melarang bagian RC dari saling mempengaruhi, dan oleh karena itu osilator pergeseran fasa buffer dapat beroperasi lebih dekat ke frekuensi dan penguatan yang dihitung.

Resistor RG yang bertanggung jawab atas pengaturan penguatan, memuat bagian RC ketiga, memungkinkan opamp ke-4 dalam sebuah opamp quad untuk bertindak sebagai penyangga untuk bagian RC ini. Hal ini menyebabkan tingkat efisiensi mencapai nilai yang ideal.

Kita dapat mengekstrak gelombang sinus distorsi rendah dari salah satu tahapan osilator pergeseran fasa, tetapi gelombang sinus yang paling alami dapat diturunkan dari keluaran bagian RC terakhir.

Ini biasanya merupakan persimpangan arus rendah impedansi tinggi, oleh karena itu rangkaian yang memiliki tingkat masukan impedansi tinggi harus digunakan di sini untuk menghindari pembebanan dan penyimpangan frekuensi sebagai respons terhadap variasi beban.

Osilator kuadratur

Osilator kuadratur adalah versi lain dari osilator pergeseran fasa, namun ketiga tahapan RC disatukan sedemikian rupa sehingga setiap bagian menambahkan 90 ° pergeseran fasa.

Keluaran dinamai sinus dan cosinus (kuadratur) hanya karena ada pergeseran fasa 90 ° di antara keluaran opamp. Gain loop ditentukan melalui Persamaan 4.

Dengan ⍵ = 1 / RC , Persamaan 5 disederhanakan menjadi 1√ - 180 ° , mengarah ke osilasi pada ⍵ = 2πpf = 1 / RC.

Rangkaian percobaan berdenyut pada 1,65 kHz sebagai lawan dari nilai yang dihitung 1,59 kHz, dan perbedaannya terutama karena variasi nilai bagian.

Osilator Bubba

Osilator Bubba yang ditunjukkan di atas adalah varian lain dari osilator pergeseran fasa, tetapi ia menikmati keuntungan dari paket quad op-amp untuk menghasilkan beberapa fitur khas.

Empat bagian RC memerlukan pergeseran fasa 45 ° untuk setiap bagian, yang berarti osilator ini dilengkapi dengan dΦ / dt yang luar biasa untuk mengurangi penyimpangan frekuensi.

Setiap bagian RC menghasilkan pergeseran fasa 45 °. Artinya, karena kami memiliki keluaran dari bagian alternatif menjamin keluaran quadrature impedansi rendah.

Setiap kali output diekstraksi dari setiap opamp, rangkaian menghasilkan empat gelombang sinus 45 ° fase bergeser. Persamaan loop dapat ditulis sebagai:

Kapan ⍵ = 1 / RC , persamaan di atas menyusut menjadi persamaan 7 dan 8 berikut ini.

Penguatan, A, harus mencapai nilai 4 untuk memulai osilasi.

Rangkaian analisis berosilasi pada 1,76 kHz sebagai lawan dari frekuensi ideal 1,72 kHz sedangkan penguatannya tampaknya 4,17 alih-alih penguatan ideal 4.

Karena keuntungan yang berkurang UNTUK dan op-amp arus prategangan rendah, resistor RG yang bertanggung jawab untuk memperbaiki penguatan tidak memuat bagian RC akhir. Ini menjamin keluaran frekuensi osilator paling akurat.

Gelombang sinus dengan distorsi yang sangat rendah dapat diperoleh dari persimpangan R dan RG.

Kapanpun gelombang sinus distorsi rendah diperlukan di semua output, penguatan sebenarnya harus didistribusikan secara merata di antara semua opamp.

Input non-inverting dari op-amp gain dibiaskan pada 0,5 V untuk menciptakan tegangan output diam pada 2,5 V. Distribusi gain memerlukan bias dari opamp-opamp lain, tetapi hal itu pasti tidak berdampak pada frekuensi osilasi.

Kesimpulan

Dalam pembahasan di atas kita memahami bahwa osilator pergeseran fasa Op amp dibatasi ke ujung bawah pita frekuensi.

Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa op-amp tidak memiliki bandwidth yang penting untuk menerapkan pergeseran fasa rendah pada frekuensi yang lebih tinggi.

Menerapkan op-amp umpan balik arus modern pada rangkaian osilator tampak sulit karena op-amp ini sangat sensitif terhadap kapasitansi umpan balik.

Op-amp umpan balik tegangan dibatasi hanya beberapa 100 kHz karena mereka membangun pergeseran fasa yang berlebihan.

Osilator jembatan Wien bekerja menggunakan sejumlah kecil bagian, dan stabilitas frekuensinya sangat dapat diterima.

Namun, mengurangi distorsi dalam osilator jembatan Wien kurang mudah daripada memulai proses osilasi itu sendiri.

Osilator kuadratur pasti berjalan menggunakan beberapa op-amp, tetapi memiliki distorsi yang jauh lebih tinggi. Namun, osilator pergeseran fasa, seperti osilator Bubba menunjukkan distorsi yang jauh lebih rendah bersama dengan stabilitas frekuensi yang layak.

Karena itu, peningkatan fungsionalitas osilator pergeseran fasa jenis ini tidak murah karena biaya yang lebih tinggi dari bagian-bagian yang terlibat di berbagai tahapan rangkaian.

Situs Web Terkait
www.ti.com/sc/amplifiers
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