RC oscilátor - RC oscillator

Lineární elektronický oscilátor obvodů, které generují a sinusový výstupní signál, jsou složeny z zesilovač a a frekvence selektivní prvek, a filtr. Lineární oscilátorový obvod, který používá RC síť, kombinace rezistory a kondenzátory, pro svou kmitočtově selektivní část se nazývá RC oscilátor.

Popis

RC oscilátory jsou typem zpětná vazba oscilátor; skládají se ze zesilovacího zařízení, a tranzistor, elektronka nebo operační zesilovač, přičemž část své výstupní energie přivádí zpět do svého vstupu prostřednictvím sítě rezistory a kondenzátory, an RC síť, dosáhnout Pozitivní zpětná vazba, což způsobí, že generuje oscilační sinusové napětí.[1][2][3] Používají se k výrobě nižšího množství frekvence, většinou zvukové frekvence, v takových aplikacích, jako je zvuk generátory signálu a elektronické hudební nástroje.[4][5] Na rádiové frekvence, používá se další typ zpětnovazebního oscilátoru, LC oscilátor, ale při frekvencích pod 100 kHz je velikost induktory a kondenzátory potřebné pro LC oscilátor se staly těžkopádnými a místo toho se používají RC oscilátory.[6] Jejich nedostatek objemných induktorů také usnadňuje jejich integraci do mikroelektronických zařízení. Protože frekvence oscilátoru je určena hodnotou odporů a kondenzátorů, které se mění s teplotou, RC oscilátory nemají tak dobrou frekvenční stabilitu jako krystalové oscilátory.

Frekvence oscilace je určena Barkhausenovo kritérium, který říká, že obvod bude oscilovat pouze na frekvencích, pro které fázový posun okolo zpětnovazební smyčka se rovná 360 ° (2π radiány) nebo násobku 360 ° a zisk smyčky (zesílení kolem zpětnovazební smyčky) se rovná jedné.[7][1] Účelem zpětnovazební RC sítě je zajistit správný fázový posun na požadované kmitavé frekvenci, aby smyčka měla fázový posun 360 °, takže sinusoida, po průchodu smyčkou bude ve fázi s sinusovou vlnou na začátku a posílí ji, což má za následek pozitivní zpětnou vazbu.[6] Zesilovač poskytuje získat kompenzovat ztracenou energii, když signál prochází sítí zpětné vazby, vytvářet trvalé oscilace. Pokud je zisk zesilovače dostatečně vysoký, aby celkový zisk kolem smyčky byl jednotný nebo vyšší, obvod bude obecně oscilovat.

V obvodech RC oscilátoru, které používají jediné invertující zesilovací zařízení, jako je tranzistor, elektronka nebo operační zesilovač se zpětnou vazbou aplikovanou na invertující vstup, poskytuje zesilovač 180 ° fázového posunu, takže RC síť musí poskytovat druhé 180 °.[6] Protože každý kondenzátor může poskytnout maximálně 90 ° fázového posunu, RC oscilátory vyžadují v obvodu alespoň dva kondenzátory určující frekvenci (dva póly ) a většina z nich má tři nebo více,[1] se srovnatelným počtem rezistorů.

Díky tomu je ladění obvodu na různé frekvence obtížnější než u jiných typů, jako je LC oscilátor, ve kterém je frekvence určena jedním LC obvodem, takže musí být měněn pouze jeden prvek. Přestože lze frekvenci měnit v malém rozsahu nastavením jediného prvku obvodu, k vyladění RC oscilátoru v širokém rozsahu je nutné současně změnit dva nebo více rezistorů nebo kondenzátorů, které vyžadují, aby byly ganged společně mechanicky na stejné hřídeli.[2][8] Frekvence oscilace je úměrná inverzní hodnotě kapacity nebo odporu, zatímco v LC oscilátoru je frekvence úměrná inverzní odmocnině kapacity nebo indukčnosti.[9] Daný proměnný kondenzátor v RC oscilátoru tedy může pokrýt mnohem širší frekvenční rozsah. Například variabilní kondenzátor, který lze měnit v kapacitním rozsahu 9: 1, poskytne RC oscilátoru frekvenční rozsah 9: 1, ale v LC oscilátoru poskytne pouze rozsah 3: 1.

Některé příklady běžných obvodů RC oscilátoru jsou uvedeny níže:

Oscilátor fázového posunu

Oscilátor fázového posuvu

Hlavní článek: Oscilátor fázového posuvu

V oscilátor fázového posuvu síť zpětné vazby jsou tři stejné kaskádové RC sekce.[10] V nejjednodušším provedení mají kondenzátory a odpory v každé sekci stejnou hodnotu a . Poté na kmitočtu oscilace každá RC sekce přispívá 60 ° fázovým posunem, celkem tedy 180 °. Frekvence oscilace je

Síť zpětné vazby má útlum 1/29, takže operační zesilovač musí mít zisk 29, aby získal smyčkový zisk jednoho pro oscilaci obvodu

Oscilátor twin-T

Twin-T oscilátor

Další běžnou konstrukcí je oscilátor „Twin-T“, protože využívá dva paralelně zapojené RC obvody „T“. Jeden obvod je R-C-R "T", který funguje jako dolní propust. Druhým obvodem je C-R-C „T“, který funguje jako horní propust. Společně tyto obvody tvoří můstek, který je naladěn na požadovanou frekvenci kmitání. Signál ve větvi C-R-C filtru Twin-T je pokročilý, v R-C-R - zpožděný, takže se mohou navzájem rušit kvůli frekvenci -li ; pokud je připojen jako negativní zpětná vazba k zesilovači a x> 2, zesilovač se stane oscilátorem. (Poznámka: .)

Kvadraturní oscilátor

Kvadraturní oscilátor používá dva kaskádovitě operační zesilovač integrátory ve zpětnovazební smyčce, jeden se signálem aplikovaným na invertující vstup nebo dva integrátory a invertor. Výhodou tohoto obvodu je, že sinusové výstupy dvou operačních zesilovačů jsou 90 ° z fáze (v kvadratuře). To je užitečné v některých komunikačních obvodech.

Je možné stabilizovat kvadraturní oscilátor srovnáním sinusových a kosinových výstupů a jejich sčítáním, (Pytagorova trigonometrická identita ) odečtení konstanty a použití rozdílu na multiplikátor, který upravuje zisk smyčky kolem střídače. Takové obvody mají téměř okamžitou amplitudovou odezvu na konstantní vstup a extrémně nízké zkreslení.

Oscilátory s nízkým zkreslením

Výše uvedené Barkhausenovo kritérium neurčuje amplitudu oscilace. Obvod oscilátoru pouze s lineární je nestabilní vzhledem k amplitudě. Pokud je zisk smyčky přesně jeden, amplituda sinusové vlny by byla konstantní, ale sebemenší nárůst zisku kvůli driftu v hodnotě komponent způsobí exponenciální nárůst amplitudy bez omezení. Podobně nejmenší pokles způsobí, že sinusová vlna vymře exponenciálně na nulu. Všechny praktické oscilátory proto musí mít ve zpětnovazební smyčce nelineární složku, aby se snížil zisk s rostoucí amplitudou, což vede ke stabilnímu provozu na amplitudě, kde je zisk smyčky jednota.

Ve většině obyčejných oscilátorů je nelinearita jednoduše saturace (ořezávání) zesilovače, když se amplituda sinusové vlny blíží k napájecím lištám. Oscilátor je navržen tak, aby měl zisk smyčky malého signálu větší než jeden. Vyšší zisk umožňuje spuštění oscilátoru exponenciálním zesílením nějakého všudypřítomného šumu.[11]

Jak se špičky sinusové vlny blíží k napájecím kolejnicím, saturace zesilovacího zařízení špičky zplošťuje (klipy), čímž se snižuje zisk. Například oscilátor může mít zisk smyčky 3 pro malé signály, ale zisk smyčky okamžitě klesne na nulu, když výstup dosáhne jedné z napájecích kolejnic.[12] Čistým efektem je, že se amplituda oscilátoru stabilizuje, když je průměrný zisk během cyklu jeden. Pokud je průměrný zisk smyčky větší než jedna, zvyšuje se výstupní amplituda, dokud nelinearita nesníží průměrný zisk na jednu; pokud je průměrný zisk smyčky menší než jedna, pak výstupní amplituda klesá, dokud průměrný zisk není jedna. Nelineárnost, která snižuje zisk, může být také jemnější než běh do napájecí lišty.[13]

Výsledek tohoto průměrování zisku je nějaký harmonické zkreslení ve výstupním signálu. Pokud je zesílení malého signálu jen o něco více než jedna, pak je zapotřebí pouze malé množství komprese zesílení, takže nedojde k velkému harmonickému zkreslení. Pokud je zisk malého signálu mnohem více než jeden, pak bude existovat významné zkreslení.[14] Aby však mohl spolehlivě začít, musí mít oscilátor výrazně vyšší než jeden.

Takže v oscilátorech, které musí vytvářet velmi nízké zkreslení sinusoida, je používán systém, který udržuje zisk zhruba konstantní během celého cyklu. Běžný design používá žárovka nebo a termistor v obvodu zpětné vazby.[15][16] Tyto oscilátory využívají odpor a wolfram vlákno lampy se zvyšuje úměrně s ní teplota (A termistor funguje podobným způsobem). Lampa měří výstupní amplitudu a současně ovládá zisk oscilátoru. Úroveň signálu oscilátoru ohřívá vlákno. Pokud je úroveň příliš vysoká, pak se teplota vlákna postupně zvyšuje, zvyšuje se odpor a klesá zesílení smyčky (čímž se snižuje výstupní úroveň oscilátoru). Pokud je úroveň příliš nízká, lampa se ochladí a zvýší zisk. Oscilátor HP200A z roku 1939 používá tuto techniku. Moderní varianty mohou používat explicitní detektory úrovně a zesilovače řízené ziskem.

Wien bridge oscilátor s automatickým řízením zisku. Rb je malá žárovka. Obvykle R1 = R2 = R a C1 = C2 = C. Za normálního provozu se Rb samostatně ohřívá na místo, kde jeho odpor je Rf / 2.

Wien bridge oscilátor

Hlavní článek: Wien bridge oscilátor

Jedním z nejběžnějších obvodů se stabilizovaným ziskem je Wien bridge oscilátor.[17] V tomto obvodu jsou použity dva RC obvody, jeden s RC komponentami v sérii a jeden s RC komponentami paralelně. Wien Bridge se často používá ve zvuku generátory signálu protože jej lze snadno vyladit pomocí dvou sekcí variabilní kondenzátor nebo dvoudílný variabilní potenciometr (který lze snáze získat než variabilní kondenzátor vhodný pro generování při nízkých frekvencích). Archetypální HP200A audio oscillator je oscilátor Wien Bridge.

Reference

  1. ^ A b C Mancini, Ron; Palmer, Richard (březen 2001). "Zpráva o aplikaci SLOA060: Sine-Wave Oscillator" (PDF). Texas Instruments Inc.. Citováno 12. srpna 2015.
  2. ^ A b Gottlieb, Irving (1997). Praktická příručka k oscilátoru. Elsevier. str. 49–53. ISBN  0080539386.
  3. ^ Coates, Eric (2015). „Modul oscilátorů 1 - základy oscilátoru“. Zjistěte více o elektronice. Eric Coates. Citováno 7. srpna 2015.
  4. ^ Coates, Eric (2015). „Modul oscilátorů 3 - sinusové oscilátory AF“ (PDF). Zjistěte více o elektronice. Eric Coates. Citováno 7. srpna 2015.
  5. ^ Chattopadhyay, D. (2006). Elektronika (základy a aplikace). New Age International. str. 224–225. ISBN  81-224-1780-9.
  6. ^ A b C "RC zpětnovazební oscilátory". Výukový program pro elektroniku. DAEnotes. 2013. Citováno 9. srpna 2015.
  7. ^ Rao, B .; Rajeswari, K .; Pantulu, P. (2012). Analýza elektronických obvodů. Indie: Pearson Education India. str. 8.2–8.6, 8.11. ISBN  8131754286.
  8. ^ Eric Coates, 2015, AF Sine Wave Oscillators, str. 10
  9. ^ Groszkowski, Janusz (2013). Frekvence oscilací. Elsevier. 397–398. ISBN  1483280306.
  10. ^ Ministerstvo armády (1962) [1959], Základní teorie a aplikace tranzistorů, Technické příručky, Dover, str. 178–179, TM 11-690
  11. ^ Strauss, Leonard (1970), „Téměř sinusové oscilace - lineární aproximace“, Generování a tvarování vln (druhé vydání), McGraw-Hill, str. 663–720 na straně 661, „Z toho vyplývá, že pokud Aβ> 1 v oblasti malého signálu bude amplituda narůstat, dokud omezovač nestabilizuje systém .... "
  12. ^ Strauss 1970, str. 694, "Jak se zvyšuje amplituda signálu, aktivní zařízení se přepne z aktivního provozu do oblastí s nulovým zesílením meze a sytosti."
  13. ^ Strauss 1970, str. 703–706, Exponenciální omezení - bipolární tranzistor.
  14. ^ Strauss 1970, str. 664, "Pokud je povolen hrubý nelineární provoz, omezovač zkreslí signál a výstup bude daleko od sinusového průběhu."
  15. ^ Strauss 1970, str. 664, „Alternativně může být jako součást zesilovače nebo v síti určující frekvenci zahrnut odpor řízený amplitudou nebo jiný pasivní nelineární prvek.“
  16. ^ Strauss 1970, str. 706–713, Amplituda oscilace - část II, automatické řízení zisku.
  17. ^ Oddělení armády 1962, str. 179–180

externí odkazy