위상 편이 발진기 – Wien-Bridge, 버퍼링, 구적 위상, Bubba

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위상 편이 오실레이터는 사인파 출력을 생성하도록 설계된 오실레이터 회로입니다. BJT 또는 반전 증폭기 모드로 구성된 연산 증폭기와 같은 단일 활성 요소로 작동합니다.

회로 배열은 래더 형 네트워크에 배열 된 RC (저항기 / 커패시터) 회로를 사용하여 출력에서 ​​입력으로 피드백을 생성합니다. 이 피드백의 도입은 오실레이터 주파수에서 증폭기의 출력 위상에서 180도 양의 '편이'를 유발합니다.



RC 네트워크에 의해 생성되는 위상 편이의 크기는 주파수에 따라 다릅니다. 발진기 주파수가 높을수록 위상 편이가 더 많이 발생합니다.

다음의 포괄적 인 설명은 우리가 개념을 더 자세히 배우는 데 도움이 될 것입니다.



에서 이전 게시물 연산 증폭기 기반 위상 편이 발진기를 설계하는 동안 필요한 중요한 고려 사항에 대해 배웠습니다. 이 게시물에서 우리는 더 나아가서 위상 편이 발진기의 유형 공식을 통해 관련 매개 변수를 계산하는 방법.


빈 브리지 회로

아래 주어진 다이어그램은 Wien-bridge 회로 설정을 보여줍니다.

Wien-bridge 회로도

여기서 opamp의 양의 입력에서 루프를 끊고 다음 방정식 2를 사용하여 반환 신호를 계산할 수 있습니다.

언제 ⍵ = 2πpf = 1 / RC , 피드백은 위상 (긍정적 피드백)이며, 이득은 1/3 .

따라서 발진은 3의 이득을 갖는 opamp 회로가 필요합니다.

R 에프 = 2R , 증폭기 이득은 3이고 진동은 f = 1 / 2πRC에서 시작됩니다.

실험에서 회로는 그림 3에 표시된 부품 값을 사용하여 1.59kHz 대신 1.65kHz에서 진동했지만 명백한 왜곡이있었습니다.

아래의 다음 그림은 Wien-bridge 회로를 보여줍니다. 비선형 피드백 .

비선형 피드백이있는 Wien 브리지 발진기

램프 전류가 RF와 RL로 정의되기 때문에 필라멘트 저항이 RF 피드백 저항 값의 약 50 %로 매우 낮게 선택된 램프 RL을 볼 수 있습니다.

램프 전류와 램프 저항 사이의 관계는 비선형이므로 출력 전압 변동을 최소 수준으로 유지하는 데 도움이됩니다.

위에서 설명한 비선형 피드백 요소 개념 대신 다이오드를 통합 한 많은 회로를 찾을 수도 있습니다.

다이오드를 사용하면 부드러운 출력 전압 제어를 제공하여 왜곡 수준을 줄이는 데 도움이됩니다.

그러나 위의 방법이 당신에게 유리하지 않다면 AGC 방법을 선택해야하는데, 이는 왜곡을 줄이는 데 동일하게 도움이됩니다.

AGC 회로를 사용하는 일반적인 Wien 브리지 발진기가 다음 그림에 표시됩니다.

여기서는 D1을 통해 음의 사인파를 샘플링하고 샘플은 C1 내부에 저장됩니다.

AGC가있는 빈 브리지 발진기

R1 및 R2는 Q1의 바이어스를 중앙에 배치하여 (R + R Q1 ) R과 같음 에프 / 2를 예상 출력 전압으로

출력 전압이 높아지는 경향이 있으면 Q1의 저항이 상승하여 결과적으로 이득이 낮아집니다.

첫 번째 Wien 브리지 발진기 회로에서 0.833V 공급이 포지티브 opamp 입력 핀에 적용되는 것을 볼 수 있습니다. 이는 VCC / 2 = 2.5V에서 출력 대기 전압을 중앙 집중화하기 위해 수행되었습니다.

위상 편이 발진기 (1 개의 opamp)

위상 편이 발진기 (1 개의 opamp)

위와 같이 단일 opamp를 사용하여 위상 편이 발진기를 구성 할 수도 있습니다.

기존의 생각은 위상 편이 회로에서 스테이지가 분리되어 서로를 스스로 관리한다는 것입니다. 이것은 다음 방정식을 제공합니다.

개별 섹션의 위상 편이가 –60 ° 일 때 루프 위상 편이는 = –180 °입니다. 이것은 때 발생합니다 ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC 접선 60 ° = 1.73이기 때문입니다.

이 순간 β의 값은 (1/2)이는 시스템 게인이 1 수준이 되려면 게인 A가 8 수준이어야 함을 의미합니다.

이 다이어그램에서 표시된 부품 값의 진동 주파수는 계산 된 2.76kHz의 진동 주파수가 아닌 3.76kHz 인 것으로 나타났습니다.

또한 발진을 시작하는 데 필요한 이득은 계산 된 이득 8이 아니라 26으로 측정되었습니다.

이러한 종류의 부정확성은 어느 정도 부품 결함으로 인한 것입니다.

그러나 가장 중요한 영향을 미치는 측면은 RC 단계가 서로 영향을 미치지 않는다는 잘못된 예측 때문입니다.

이 단일 opamp 회로 설정은 활성 구성 요소가 부피가 크고 가격이 비싼시기에 꽤 잘 알려져있었습니다.

오늘날 연산 증폭기는 경제적이고 컴팩트하며 단일 패키지 내에서 4 개의 숫자를 사용할 수 있으므로 단일 연산 증폭기 위상 편이 발진기는 결국 인식을 잃었습니다.

버퍼링 된 위상 편이 발진기

버퍼링 된 위상 편이 발진기

위 그림에서 예상되는 이상적인 주파수 인 2.76kHz 대신 2.9kHz에서 맥동하는 버퍼링 된 위상 편이 발진기를 볼 수 있으며, 이상적인 게인 8이 아니라 게인 8.33으로 맥동합니다.

버퍼는 RC 섹션이 서로 영향을 미치는 것을 금지하므로 버퍼링 된 위상 편이 발진기는 계산 된 주파수 및 이득에 더 가깝게 작동 할 수 있습니다.

이득 설정을 담당하는 저항 RG는 세 번째 RC 섹션을로드하여 쿼드 opamp의 네 번째 opamp가이 RC 섹션의 버퍼 역할을 할 수 있도록합니다. 이로 인해 효율성 수준이 이상적인 값에 도달합니다.

위상 편이 오실레이터 단계에서 저 왜곡 사인파를 추출 할 수 있지만 가장 자연스러운 사인파는 마지막 RC 섹션의 출력에서 ​​파생 될 수 있습니다.

이것은 일반적으로 고 임피던스 저 전류 접합이므로 부하 변동에 대한 응답으로 부하 및 주파수 편차를 방지하기 위해 고 임피던스 입력 단계를 가진 회로를 여기서 사용해야합니다.

구적 발진기

쿼드 러처 발진기는 위상 편이 발진기의 또 다른 버전이지만 3 개의 RC 스테이지는 모든 섹션이 90 °의 위상 편이를 더하는 방식으로 결합됩니다.

구적 발진기

opamp 출력 사이에 90 ° 위상 편이가 있기 때문에 출력은 사인 및 코사인 (직교)으로 명명됩니다. 루프 이득은 방정식 4를 통해 결정됩니다.

⍵ = 1 / RC , 방정식 5는 다음을 단순화합니다. 1√ – 180 ° , 진동으로 이어지는 ⍵ = 2πpf = 1 / RC.

실험 된 회로는 1.59kHz의 계산 된 값과 반대로 1.65kHz에서 펄스가 발생했으며, 그 차이는 주로 부품 값 변동 때문입니다.

Bubba 발진기

Bubba 발진기

위에 표시된 Bubba 발진기는 위상 편이 발진기의 또 다른 변형이지만 몇 가지 독특한 기능을 생성하는 쿼드 연산 증폭기 패키지의 이점을 누리고 있습니다.

4 개의 RC 섹션은 각 섹션에 대해 45 ° 위상 편이를 필요로합니다. 즉,이 발진기는 주파수 편차를 줄이기 위해 뛰어난 dΦ / dt와 함께 제공됩니다.

각 RC 섹션은 45 ° 위상 편이를 생성합니다. 즉, 대체 섹션의 출력이 있기 때문에 낮은 임피던스의 구적 출력을 보장합니다.

출력이 각 opamp에서 추출 될 때마다 회로는 4 개의 45 ° 위상 편이 사인파를 생성합니다. 루프 방정식은 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

언제 ⍵ = 1 / RC , 위의 방정식은 다음 방정식 7 및 8로 축소됩니다.

이득 A는 진동을 시작하기 위해 4의 값에 도달해야합니다.

분석 회로는 이상적인 주파수 1.72kHz와 반대로 1.76kHz에서 진동하는 반면 이득은 이상적인 이득 4 대신 4.17 인 것처럼 보였습니다.

감소 된 이득으로 인해 낮은 바이어스 전류 연산 증폭기, 이득 고정을 담당하는 저항 RG는 최종 RC 섹션을로드하지 않습니다. 이것은 가장 정확한 오실레이터 주파수 출력을 보장합니다.

왜곡이 매우 낮은 사인파는 R과 RG의 교차점에서 획득 할 수 있습니다.

모든 출력에 저 왜곡 사인파가 필요할 때마다 이득은 실제로 모든 연산 증폭기에 균등하게 분배되어야합니다.

이득 연산 증폭기의 비 반전 입력은 0.5V로 바이어스되어 2.5V에서 대기 출력 전압을 생성합니다. 이득 분포는 다른 연산 증폭기의 바이어스를 필요로하지만 반드시 발진 주파수에 영향을 미치지 않습니다.

결론

위의 논의에서 우리는 연산 증폭기 위상 편이 발진기가 주파수 대역의 하단으로 제한된다는 것을 이해했습니다.

이는 연산 증폭기가 더 높은 주파수에서 낮은 위상 편이를 구현하는 데 필수적인 대역폭이 없기 때문입니다.

발진기 회로에 최신 전류 피드백 연산 증폭기를 적용하는 것은 피드백 커패시턴스에 매우 민감하기 때문에 어려워 보입니다.

전압 피드백 연산 증폭기는 과도한 위상 편이를 구축하기 때문에 몇 100kHz로 제한됩니다.

Wien-bridge 발진기는 적은 수의 부품을 사용하여 작동하며 주파수 안정성은 매우 적합합니다.

그러나 Wien-bridge 발진기의 왜곡을 줄이는 것은 발진 프로세스 자체를 시작하는 것보다 쉽지 않습니다.

구적 오실레이터는 확실히 두 개의 연산 증폭기를 사용하여 실행되지만 훨씬 더 높은 왜곡이 포함됩니다. 그러나 Bubba 발진기와 같은 위상 편이 발진기는 괜찮은 주파수 안정성과 함께 훨씬 낮은 왜곡을 나타냅니다.

그러나 이러한 유형의 위상 편이 발진기의 향상된 기능은 회로의 다양한 단계에서 관련된 부품의 높은 비용으로 인해 저렴하지 않습니다.

관련 웹 사이트
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




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