연산 증폭기 발진기

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연산 증폭기를 활성 요소로 사용하는 오실레이터 빌드를 연산 증폭기 오실레이터라고합니다.

이 게시물에서는 opamp 기반 오실레이터를 설계하는 방법과 안정적인 오실레이터 설계를 생성하는 데 필요한 많은 중요한 요소에 대해 배웁니다.



연산 증폭기 기반 발진기는 일반적으로 정사각형, 톱니 모양, 삼각형 및 사인파와 같은 정밀하고주기적인 파형을 생성하는 데 사용됩니다.

일반적으로 단일 활성 장치, 램프 또는 크리스탈을 사용하여 작동하며 저항, 커패시터 및 인덕터와 같은 몇 가지 수동 장치와 연결되어 출력을 생성합니다.




연산 증폭기 발진기 카테고리

이완과 사인파의 두 가지 주요 발진기 그룹을 찾을 수 있습니다.

이완 발진기는 삼각형, 톱니 및 기타 비 사인파 파형을 생성합니다.

정현파 발진기는 발진을 생성하는 데 익숙한 추가 부품 또는 발진 발생기가 내장 된 수정을 사용하는 연산 증폭기를 통합합니다.

사인파 발진기는 수많은 회로 애플리케이션에서 소스 또는 테스트 파형으로 사용됩니다.

순수 정현파 오실레이터는 개별 또는 기본 주파수만을 특징으로합니다. 이상적으로는 고조파가 없습니다.

결과적으로 정현파는 계산 된 출력 고조파를 사용하여 왜곡 수준을 수정하여 회로에 대한 입력이 될 수 있습니다.

이완 발진기의 파형은 규정 된 모양을 제공하기 위해 합산되는 사인파를 통해 생성됩니다.

오실레이터는 오디오, 함수 발생기, 디지털 시스템 및 통신 시스템과 같은 애플리케이션에서 참조로 사용되는 일관된 임펄스를 생성하는 데 유용합니다.

사인파 발진기

정현파 발진기는 조정 가능한 발진 주파수를 포함하는 RC 또는 LC 회로를 사용하는 연산 증폭기 또는 미리 결정된 발진 주파수를 보유한 크리스털로 구성됩니다.

진동의 주파수와 진폭은 중앙 연산 증폭기에 연결된 수동 및 능동 부품을 선택하여 설정됩니다.

연산 증폭기 기반 발진기는 불안정하게 생성 된 회로입니다. 실험실에서 예기치 않게 개발되거나 설계된 유형이 아니라 불안정하거나 진동하는 상태를 계속 유지하도록 의도적으로 구축 된 유형입니다.

연산 증폭기 발진기는 고주파에서 낮은 위상 편이를 구현하는 데 필요한 대역폭이 부족하기 때문에 주파수 범위의 하단에 연결됩니다.

전압 피드백 연산 증폭기는 주요 개방 루프 극이 종종 10Hz만큼 작기 때문에 낮은 kHz 범위로 제한됩니다.

최신 전류 피드백 연산 증폭기는 훨씬 더 넓은 대역폭으로 설계되었지만 피드백 커패시턴스에 민감하므로 발진기 회로에서 구현하기가 매우 어렵습니다.

수정 발진기는 수백 MHz 범위의 고주파 애플리케이션에 권장됩니다.


기본 요구 사항

가장 기본적인 유형 (표준 유형이라고도 함)에서는 네거티브 피드백 방법이 사용됩니다.

이것은 그림 1과 같이 발진을 시작하기위한 전제 조건이됩니다. 여기에서 VIN이 입력 전압으로 고정되는 방법의 블록 다이어그램을 볼 수 있습니다.

Vout은 블록 A의 출력을 나타냅니다.

β는 신호를 나타내며 피드백 계수라고도하며 합산 접합으로 다시 공급됩니다.

E는 피드백 계수와 입력 전압의 합에 해당하는 오류 요소를 나타냅니다.

발진기 회로에 대한 결과 방정식은 아래에서 볼 수 있습니다. 첫 번째 방정식은 출력 전압을 정의하는 중요한 방정식입니다. 방정식 2는 오류 계수를 제공합니다.

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

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

위 방정식에서 오류 계수 E를 제거하면

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

Vout에서 요소를 추출하면

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

위 방정식의 항을 재구성하면 방정식 # 5를 통해 다음과 같은 고전적인 피드백 공식이 제공됩니다.

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

발진기는 외부 신호의 도움없이 작동 할 수 있습니다. 오히려 출력 펄스의 일부가 수수료 네트워크를 통해 입력으로 사용됩니다.

피드백이 안정된 정상 상태를 달성하지 못하면 진동이 시작됩니다. 이는 전송 작업이 수행되지 않기 때문에 발생합니다.

이 불안정성은 아래와 같이 방정식 # 5의 분모가 0이 될 때 발생합니다.

1 + Aβ = 0 또는 Aβ = -1.

발진기 회로를 설계하는 동안 중요한 것은 Aβ = -1을 보장하는 것입니다. 이 상태를 Barkhausen 기준 .

이 조건을 만족시키기 위해서는 루프 게인 값이 해당 180도 위상 편이를 통해 균일하게 유지되어야합니다. 이것은 방정식의 음수 부호로 이해됩니다.

위의 결과는 복잡한 대수학의 기호를 사용하여 아래와 같이 다르게 표현할 수 있습니다.

Aβ = 1 ㄥ -180 °

포지티브 피드백 발진기를 설계하는 동안 위 방정식은 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

Aβ = 1 ㄥ 0 ° 이는 방정식 # 5에서 Aβ라는 용어를 음수로 만듭니다.

Aβ = -1 일 때 피드백 출력은 무한 전압으로 이동하는 경향이 있습니다.

이것이 최대 + 또는-공급 레벨에 가까워지면 회로의 이득 레벨 활성 장치가 변경됩니다.

이로 인해 A 값이 Aβ ≠ -1이되어 피드백 무한 전압 접근 속도가 느려지고 결국 중단됩니다.

여기에서 세 가지 가능성 중 하나가 발생할 수 있습니다.

  1. 비선형 포화 또는 차단으로 인해 오실레이터가 안정화되고 잠 깁니다.
  2. 시스템이 다시 선형이되고 반대쪽 공급 레일에 접근하기 시작하기 전에 시스템이 오랜 기간 동안 포화되도록하는 초기 충전입니다.
  3. 시스템은 계속 선형 영역에 있으며 반대쪽 공급 레일로 되돌아갑니다.

두 번째 가능성의 경우 일반적으로 준 사각 파의 형태로 엄청나게 왜곡 된 진동이 발생합니다.

발진기의 위상 변화는 무엇입니까

Aβ = 1 ㄥ -180 ° 방정식에서 180 ° 위상 변이는 능동 및 수동 구성 요소를 통해 생성됩니다.

올바르게 설계된 피드백 회로와 마찬가지로 오실레이터는 수동 부품의 위상 편이를 기반으로 구축됩니다.

수동 부품의 결과가 정확하고 실질적으로 드리프트가 없기 때문입니다. 활성 구성 요소에서 얻은 위상 변화는 여러 요인으로 인해 대부분 부정확합니다.

온도 변화에 따라 드리프트 될 수 있고, 넓은 초기 허용 오차를 보일 수 있으며, 결과는 장치 특성에 따라 달라질 수 있습니다.

Op 앰프는 진동 주파수에 최소 위상 편이를 가져 오기 위해 선택됩니다.

단극 RL (저항 인덕터) 또는 RC (저항 커패시터) 회로는 극당 약 90 ° 위상 편이를 가져옵니다.

발진에는 180 °가 필요하므로 발진기를 설계하는 동안 최소 2 개의 극이 사용됩니다.

LC 회로에는 2 개의 극이 있으므로 각 극 쌍에 대해 약 180 ° 위상 편이를 제공합니다.

그러나 여기에서는 비용이 많이 들고 부피가 크며 바람직하지 않을 수있는 저주파 인덕터의 관련성으로 인해 LC 기반 설계에 대해 논의하지 않을 것입니다.

LC 발진기는 전압 피드백 원리에 따라 opamp의 주파수 범위 이상일 수있는 고주파 애플리케이션 용입니다.

여기에서 인덕터 크기, 무게 및 비용이 그다지 중요하지 않다는 것을 알 수 있습니다.

위상 편이는 180 도의 위상 편이를 가져 오는 주파수에서 회로가 펄스하므로 발진 주파수를 확인합니다. df / dt 또는 주파수에 따라 위상 편이가 변하는 속도는 주파수 안정성을 결정합니다.

높은 입력 및 낮은 출력 임피던스를 제공하는 연산 증폭기의 형태로 캐스케이드 버퍼링 된 RC 섹션을 사용하면 위상 편이가 섹션 수로 곱해집니다. (아래 그림 참조).

2 개의 캐스케이드 RC 섹션이 180 ° 위상 편이를 나타내지 만 발진기 주파수에서 dФ / dt가 최소임을 알 수 있습니다.

결과적으로 2 개의 캐스케이드 RC 섹션을 사용하여 구성된 오실레이터는 부적절 주파수 안정성.

3 개의 동일한 캐스케이드 RC 필터 섹션은 증가 된 dФ / dt를 제공하여 향상된 주파수 안정성으로 오실레이터를 가능하게합니다.

그러나 네 번째 RC 섹션을 도입하면 훌륭해 dФ / dt.

따라서 이것은 매우 안정적인 오실레이터 설정이됩니다.

주로 opamp가 쿼드 패키지로 제공되기 때문에 4 개의 섹션이 선호되는 범위입니다.

또한 4 섹션 오실레이터는 서로를 기준으로 45 ° 위상 이동 된 4 개의 사인파를 생성합니다. 즉,이 오실레이터를 사용하면 사인 / 코사인 또는 직교 사인파를 잡을 수 있습니다.

크리스털 및 세라믹 공진기 사용

수정 또는 세라믹 공진기는 가장 안정적인 발진기를 제공합니다. 공진기는 비선형 특성으로 인해 매우 높은 dФ / dt를 갖기 때문입니다.

공진기는 고주파 발진기에 적용되지만 저주파 발진기는 일반적으로 크기, 무게 및 비용 제약으로 인해 공진기와 함께 작동하지 않습니다.

opamp에는 감소 된 대역폭이 포함되어 있기 때문에 주로 opamp가 세라믹 공진기 발진기와 함께 사용되지 않습니다.

연구에 따르면 고주파 수정 발진기를 구성하고 저주파 공진기를 통합하는 대신 저주파를 얻기 위해 출력을 트리밍하는 것이 비용이 적게 듭니다.


발진기의 이득

발진기의 이득은 일치해야합니다. 하나 진동 주파수에서. 이득이 1보다 크고 진동이 멈 추면 설계가 안정됩니다.

-180 °의 위상 편이와 함께 게인이 1 이상에 도달하면 활성 장치 (opamp)의 비선형 속성이 게인을 1로 떨어 뜨립니다.

비선형 성이 발생하면 활성 장치 (트랜지스터) 이득의 차단 또는 포화 감소로 인해 (+/-) 공급 레벨 근처에서 opamp가 스윙합니다.

한 가지 이상한 점은 잘못 설계된 회로가 실제로 생산 중에 1 이상의 한계 이득을 요구한다는 것입니다.

반면에 게인이 높을수록 출력 사인파의 왜곡이 더 커집니다.

게인이 최소 인 경우 극도로 불리한 상황에서 진동이 중단됩니다.

게인이 매우 높으면 출력 파형이 사인파 대신 구형파와 훨씬 더 비슷하게 보입니다.

왜곡은 일반적으로 너무 많은 이득이 증폭기를 과도하게 구동하는 즉각적인 결과입니다.

따라서 낮은 왜곡 발진기를 달성하기 위해 이득을 신중하게 관리해야합니다.

위상 편이 발진기는 왜곡을 나타낼 수 있지만 버퍼 된 캐스케이드 RC 섹션을 사용하여 왜곡이 낮은 출력 전압을 얻을 수 있습니다.

이는 계단식 RC 섹션이 왜곡 필터로 작동하기 때문입니다. 또한 버퍼링 된 위상 편이 발진기는 이득이 관리되고 버퍼간에 균일하게 균형을 이루기 때문에 왜곡이 적습니다.

결론

위의 논의를 통해 opamp 발진기의 기본 작동 원리를 배우고 지속적인 발진을 달성하기위한 기본 기준에 대해 이해했습니다. 다음 포스트에서 우리는 빈 브리지 발진기 .




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