Osciladores op amp

Uma construção de oscilador usando um amplificador operacional como elemento ativo é chamada de oscilador amplificador operacional.

Neste artigo, aprendemos como projetar osciladores baseados em opamp e sobre os muitos fatores críticos necessários para gerar um projeto de oscilador estável.

Os osciladores baseados em amp op são normalmente usados ​​para gerar formas de onda periódicas precisas como quadrada, dente de serra, triangular e sinusoidal.

Geralmente, eles operam usando um único dispositivo ativo, ou uma lâmpada, ou um cristal, e associados por alguns dispositivos passivos, como resistores, capacitores e indutores, para gerar a saída.

Categorias de oscilador op-amp

Você encontrará alguns grupos principais de osciladores: relaxamento e sinusoidal.

Os osciladores de relaxamento produzem formas de onda triangulares, dente de serra e outras formas de onda não-inuoidais.

Os osciladores sinusoidais incorporam amplificadores operacionais usando peças adicionais acostumadas a criar oscilação, ou cristais que possuem geradores de oscilação embutidos.

Os osciladores de onda senoidal são empregados como fontes ou formas de onda de teste em várias aplicações de circuito.

Um oscilador sinusoidal puro apresenta apenas uma frequência individual ou básica: idealmente, sem quaisquer harmônicos.

Como resultado, uma onda senoidal pode ser a entrada de um circuito, usando harmônicos de saída calculados para fixar o nível de distorção.

As formas de onda em osciladores de relaxamento são produzidas por meio de ondas sinusoidais que são somadas para fornecer a forma estipulada.

Os osciladores são úteis para produzir impulsos consistentes que são usados ​​como referência em aplicações como áudio, geradores de função, sistemas digitais e sistemas de comunicação.

Osciladores de onda senoidal

Os osciladores sinusoidais compreendem amplificadores operacionais usando circuitos RC ou LC que contêm frequências de oscilação ajustáveis ​​ou cristais que possuem uma frequência de oscilação predeterminada.

A frequência e a amplitude da oscilação são estabelecidas pela seleção das partes passivas e ativas conectadas ao amplificador operacional central.

Os osciladores baseados em amp op são circuitos criados para serem instáveis. Não o tipo que às vezes é desenvolvido ou projetado de forma inesperada no laboratório, mas tipos que são deliberadamente construídos para continuar a estar em uma condição instável ou oscilatória.

Os osciladores op-amp estão ligados à extremidade inferior da faixa de frequência devido ao fato de os opamps não possuírem a largura de banda necessária para implementar a mudança de fase baixa em altas frequências.

Os opamps de realimentação de tensão são restritos a uma faixa de kHz baixa, uma vez que seu pólo principal de malha aberta costuma ser tão pequeno quanto 10 Hz.

Os modernos opamps de feedback de corrente são projetados com largura de banda significativamente mais ampla, mas são incrivelmente difíceis de implementar em circuitos de oscilador, pois são sensíveis à capacitância de feedback.

Os osciladores de cristal são recomendados em aplicações de alta frequência na faixa de centenas de MHz.

Requisitos básicos

No tipo mais básico, também chamado de tipo canônico, é usado um método de feedback negativo.

Isso se torna o pré-requisito para iniciar a oscilação, conforme mostrado na Figura 1. Aqui vemos o diagrama de blocos para um método em que VIN é fixado como a tensão de entrada.

Vout significa a saída do bloco A.

β denota o sinal, também chamado de fator de feedback, que é fornecido de volta à junção somadora.

E significa o elemento de erro equivalente à soma do fator de feedback e da tensão de entrada.

As equações resultantes para um circuito oscilador podem ser vistas abaixo. A primeira equação é a importante que define a tensão de saída. A Equação 2 fornece o fator de erro.

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

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

Eliminar o fator de erro E das equações acima dá

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

Extrair os elementos em Vout dá

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

Reorganizar os termos na equação acima nos fornece a seguinte fórmula de feedback clássica por meio da equação # 5

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

Os osciladores podem funcionar sem a ajuda de um sinal externo. Em vez disso, uma parte do pulso de saída é utilizada como entrada por meio de uma rede de retorno.

Uma oscilação é iniciada quando o feedback falha em atingir um estado estável estável. Isso acontece porque a ação de transferência não é realizada.

Essa instabilidade ocorre quando o denominador da equação # 5 torna-se zero, conforme mostrado abaixo:

1 + Aβ = 0 ou Aβ = -1.

O crucial ao projetar um circuito oscilador é garantir Aβ = -1. Esta condição é chamada de Critério de Barkhausen .

Para satisfazer esta condição, torna-se essencial que o valor de ganho da malha permaneça na unidade por meio de um deslocamento de fase de 180 graus correspondente. Isso é compreendido pelo sinal negativo na equação.

Os resultados acima podem ser expressos alternativamente como mostrado abaixo usando símbolos de álgebra complexa:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Ao projetar um oscilador de feedback positivo, a equação acima pode ser escrita como:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° o que torna o termo Aβ na equação # 5 negativo.

Quando Aβ = -1, a saída de feedback tende a se mover em direção a uma tensão infinita.

Quando isso se aproxima dos níveis máximos de alimentação + ou -, o nível de ganho dos dispositivos ativos nos circuitos muda.

Isso faz com que o valor de A se transforme em Aβ ≠ -1, desacelerando a abordagem da tensão infinita de feedback, eventualmente interrompendo-a.

Aqui, podemos encontrar uma das três possibilidades acontecendo:

1. Saturação não linear ou corte fazendo com que o oscilador se estabilize e trave.
2. A carga inicial forçando o sistema a saturar por um período muito longo antes de se tornar linear novamente e começar a se aproximar do trilho de alimentação oposto.
3. O sistema continua na região linear e reverte em direção ao trilho de alimentação oposto.

No caso da segunda possibilidade, obtemos oscilações imensamente distorcidas, geralmente na forma de ondas quase quadradas.

O que é mudança de fase em osciladores

O deslocamento de fase de 180 ° na equação Aβ = 1 ㄥ -180 ° é criado por meio dos componentes ativo e passivo.

Assim como qualquer circuito de feedback projetado corretamente, os osciladores são construídos com base na mudança de fase dos componentes passivos.

Isso ocorre porque os resultados das peças passivas são precisos e praticamente livres de deriva. A mudança de fase adquirida de componentes ativos é quase sempre imprecisa devido a muitos fatores.

Ele pode variar com as mudanças de temperatura, pode mostrar uma ampla tolerância inicial e também os resultados podem depender das características do dispositivo.

Os amplificadores operacionais são escolhidos a fim de garantir que eles tragam um deslocamento de fase mínimo para a frequência da oscilação.

Um circuito monopolar RL (resistor-indutor) ou RC (resistor-caapcitor) provoca um deslocamento de fase de aproximadamente 90 ° por pólo.

Visto que 180 ° é necessário para a oscilação, um mínimo de dois pólos são empregados ao projetar um oscilador.

Um circuito LC possui 2 pólos, portanto, fornece cerca de 180 ° de deslocamento de fase para cada par de pólos.

No entanto, não iremos discutir projetos baseados em LC aqui devido ao envolvimento de indutores de baixa frequência que podem ser caros, volumosos e indesejáveis.

Os osciladores LC são destinados a aplicações de alta frequência, que podem estar acima e além da faixa de frequência dos opamps com base no princípio de realimentação de tensão.

Aqui você pode descobrir que o tamanho, o peso e o custo do indutor não têm muita importância.

O deslocamento de fase determina a frequência de oscilação, pois o circuito pulsa na frequência que obtém um deslocamento de fase de 180 graus. O df / dt ou a taxa na qual o deslocamento de fase muda com a frequência, decide a estabilidade da frequência.

Quando as seções RC com buffer em cascata são usadas na forma de opamps, oferecendo alta entrada e baixa impedância de saída, o deslocamento de fase se multiplica pelo número de seções, n (veja a Figura abaixo).

Apesar do fato de que duas seções RC em cascata apresentam deslocamento de fase de 180 °, você pode achar que dФ / dt é mínimo na frequência do oscilador.

Como resultado, os osciladores construídos usando duas seções RC em cascata oferecem inadequado estabilidade de frequência.

Três seções de filtro RC em cascata idênticas fornecem um dФ / dt aumentado, permitindo ao oscilador uma estabilidade de frequência aprimorada.

No entanto, a introdução de uma quarta seção RC cria um oscilador com um excepcional dФ / dt.

Portanto, esta se torna uma configuração de oscilador extremamente estável.

Quatro seções são o intervalo preferido, principalmente porque opamps estão disponíveis em pacotes quad.

Além disso, o oscilador de quatro seções produz 4 ondas senoidais que são deslocadas de fase de 45 ° em relação uma à outra, o que significa que este oscilador permite que você obtenha ondas senoidais / cossenos ou de quadratura.

Usando Cristais e Ressonadores Cerâmicos

Ressonadores de cristal ou cerâmica nos fornecem os osciladores mais estáveis. Isso ocorre porque os ressonadores vêm com um dФ / dt incrivelmente alto como resultado de suas propriedades não lineares.

Ressonadores são aplicados em osciladores de alta frequência, entretanto, osciladores de baixa frequência geralmente não funcionam com ressonadores devido ao tamanho, peso e restrições de custo.

Você descobrirá que os amplificadores operacionais não são utilizados com osciladores de ressonador de cerâmica, principalmente porque os amplificadores operacionais incluem uma largura de banda reduzida.

Estudos mostram que é menos caro construir um oscilador de cristal de alta frequência e diminuir a saída para adquirir uma frequência baixa em vez de incorporar um ressonador de baixa frequência.

Ganho em osciladores

O ganho de um oscilador deve corresponder 1 na frequência de oscilação. O projeto fica estável quando o ganho é maior que 1 e as oscilações param.

Assim que o ganho atinge mais de 1 junto com uma mudança de fase de -180 °, a propriedade não linear do dispositivo ativo (opamp) cai o ganho para 1.

Quando ocorre a não linearidade, o OP oscila perto dos níveis de alimentação (+/-) devido à redução no corte ou saturação do ganho do dispositivo ativo (transistor).

Uma coisa estranha é que os circuitos mal projetados na verdade exigem ganhos marginais superiores a 1 durante sua produção.

Por outro lado, um ganho mais alto leva a uma maior distorção da onda senoidal de saída.

Nos casos em que o ganho é mínimo, as oscilações cessam em circunstâncias extremamente desfavoráveis.

Quando o ganho é muito alto, a forma de onda de saída parece ser muito mais semelhante a uma onda quadrada em vez de uma onda senoidal.

A distorção é geralmente uma consequência imediata do ganho excessivo sobre o amplificador.

Portanto, o ganho deve ser controlado com cautela para alcançar osciladores de baixa distorção.

Os osciladores de mudança de fase podem mostrar distorções, no entanto, eles podem ter a capacidade de atingir tensões de saída de baixa distorção usando seções RC em cascata em buffer.

Isso ocorre porque as seções RC em cascata se comportam como filtros de distorção. Além disso, os osciladores de deslocamento de fase com buffer apresentam baixa distorção, uma vez que o ganho é gerenciado e balanceado uniformemente entre os buffers.

Conclusão

Com a discussão acima, aprendemos o princípio básico de funcionamento dos osciladores opamp e entendemos os critérios fundamentais para alcançar oscilações sustentadas. No próximo post aprenderemos sobre Osciladores ponte Wien .