Oscilador de mudança de fase - Ponte de Wien, Buffer, Quadratura, Bubba

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Um oscilador de mudança de fase é um circuito oscilador projetado para gerar uma saída de onda senoidal. Ele opera com um único elemento ativo, como um BJT ou um amplificador operacional configurado em um modo de amplificador inversor.

O arranjo do circuito cria um feedback da saída para a entrada por meio do uso de um circuito RC (resistor / capacitor) organizado em uma rede tipo escada. A introdução deste feedback causa uma 'mudança' positiva na fase da saída do amplificador em 180 graus na frequência do oscilador.



A magnitude da mudança de fase criada pela rede RC depende da frequência. Frequências de oscilador mais altas criam maior quantidade de mudança de fase.

As seguintes explicações abrangentes nos ajudarão a aprender o conceito em maiores detalhes.



No postagem anterior aprendemos sobre as considerações críticas necessárias ao projetar um oscilador de deslocamento de fase baseado em amplificador operacional. Neste post vamos avançar mais e saber mais sobre o tipos de osciladores de deslocamento de fase e como calcular os parâmetros envolvidos por meio de fórmulas.


Circuito de ponte de Wien

O diagrama abaixo mostra a configuração do circuito da ponte Wien.

Diagrama de circuito de Wien-bridge

Aqui, podemos quebrar o loop na entrada positiva do opamp e calcular o sinal de retorno usando a seguinte Equação 2:

Quando ⍵ = 2πpf = 1 / RC , o feedback está em fase (feedback positivo), tendo um ganho de 1/3 .

Portanto, as oscilações precisam que o circuito opamp tenha um ganho de 3.

Quando R F = 2R G , o ganho do amplificador é 3 e a oscilação inicia em f = 1 / 2πRC.

Em nosso experimento, o circuito oscilou em 1,65 kHz em vez de 1,59 kHz usando os valores de parte indicados na Figura 3, mas com uma distorção aparente.

A próxima figura abaixo demonstra um circuito de ponte Wien tendo feedback não linear .

Oscilador ponte de Wien com feedback não linear

Podemos ver uma lâmpada RL cuja resistência do filamento é selecionada muito baixa, cerca de 50% do valor da resistência de feedback de RF, uma vez que a corrente da lâmpada é definida por RF e RL.

A relação entre a corrente e a resistência da lâmpada, sendo não linear, ajuda a manter as variações da tensão de saída no nível mínimo.

Você também pode encontrar muitos circuitos incorporando diodo em vez do conceito de elemento de realimentação não linear explicado acima.

O uso de um diodo ajuda a diminuir o nível de distorção, oferecendo um controle suave da tensão de saída.

No entanto, se os métodos acima não forem favoráveis ​​a você, você deve escolher os métodos AGC, que ajudam de forma idêntica a reduzir a distorção.

Um oscilador de ponte Wien comum usando um circuito AGC é exibido na figura a seguir.

Aqui, ele coleta uma amostra da onda senoidal negativa por meio de D1 e a amostra é armazenada dentro de C1.

Oscilador ponte de Wien com AGC

R1 e R2 são calculados de modo a centralizar a tendência em Q1 para garantir que (R G + R T1 ) é igual a R F / 2 com a tensão de saída esperada.

Se a tensão de saída tende a aumentar, a resistência de Q1 aumenta, conseqüentemente diminuindo o ganho.

No primeiro circuito oscilador de ponte de Wien, a alimentação de 0,833 volts pode ser vista aplicada no pino de entrada positivo do amp op. Isso foi feito para centralizar a tensão quiescente de saída em VCC / 2 = 2,5 V.

Oscilador de mudança de fase (um opamp)

Oscilador de mudança de fase (um opamp)

Um oscilador de deslocamento de fase também pode ser construído usando apenas um único opamp como mostrado acima.

O pensamento convencional é que nos circuitos de mudança de fase os estágios são isolados e autogovernados uns dos outros. Isso nos dá a seguinte equação:

Quando a mudança de fase da seção individual é –60 °, a mudança de fase do loop é = –180 °. Isso acontece quando ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC uma vez que a tangente 60 ° = 1,73.

O valor de β neste momento é (1/2)3, o que significa que o ganho, A, deve estar com um nível de 8 para que o ganho do sistema esteja com um nível de 1.

Neste diagrama, a frequência de oscilação para os valores da parte indicada foi encontrada como 3,76 kHz, e não de acordo com a frequência de oscilação calculada de 2,76 kHz.

Além disso, o ganho necessário para iniciar a oscilação foi medido como sendo 26 e não de acordo com o ganho calculado de 8.

Esses tipos de imprecisões são, em certa medida, devido a imperfeições de componentes.

No entanto, o aspecto que afeta mais significativo é devido às previsões erradas de que os estágios RC nunca afetam uns aos outros.

Esta configuração de circuito único OP costumava ser bem conhecida em tempos quando os componentes ativos eram volumosos e caros.

Hoje em dia os amplificadores operacionais são econômicos e compactos e estão disponíveis com quatro números dentro de um único pacote, portanto, o oscilador de deslocamento de fase do amplificador operacional único acabou perdendo seu reconhecimento.

Oscilador de deslocamento de fase com buffer

Oscilador de deslocamento de fase com buffer

Podemos ver um oscilador de deslocamento de fase com buffer na figura acima, pulsando a 2,9 kHz em vez da frequência ideal esperada de 2,76 kHz e com um ganho de 8,33 em oposição a um ganho ideal de 8.

Os buffers proíbem que as seções RC afetem umas às outras e, portanto, os osciladores de deslocamento de fase com buffer são capazes de operar mais perto da frequência e do ganho calculados.

O resistor RG responsável pelo ajuste de ganho carrega a terceira seção RC, permitindo que a 4ª opamp em uma quad opamp atue como um buffer para esta seção RC. Isso faz com que o nível de eficiência alcance um valor ideal.

Podemos extrair uma onda senoidal de baixa distorção de qualquer um dos estágios do oscilador de deslocamento de fase, mas a onda senoidal mais natural pode ser derivada da saída da última seção RC.

Esta é geralmente uma junção de baixa corrente de alta impedância, portanto, um circuito com um estágio de entrada de alta impedância deve ser usado aqui para evitar desvios de carga e frequência em resposta às variações de carga.

Oscilador de quadratura

O oscilador de quadratura é outra versão do oscilador de deslocamento de fase, no entanto, os três estágios RC são colocados juntos de forma que cada seção some 90 ° de deslocamento de fase.

Oscilador de quadratura

As saídas são chamadas de seno e cosseno (quadratura) simplesmente porque existe um deslocamento de fase de 90 ° entre as saídas de amp op. O ganho do loop é determinado por meio da Equação 4.

Com ⍵ = 1 / RC , Equação 5 simplifica para 1√ - 180 ° , levando a oscilações em ⍵ = 2πpf = 1 / RC.

O circuito experimentado pulsou a 1,65 kHz em oposição ao valor calculado de 1,59 kHz, e a diferença se deve principalmente às variações do valor da peça.

Oscilador Bubba

Oscilador Bubba

O oscilador Bubba mostrado acima é outra variante do oscilador de deslocamento de fase, mas aproveita o benefício do pacote de amplificador operacional quádruplo para produzir alguns recursos distintos.

Quatro seções RC exigem mudança de fase de 45 ° para cada seção, o que significa que este oscilador vem com um excelente dΦ / dt para reduzir os desvios de frequência.

Cada uma das seções RC gera um deslocamento de fase de 45 °. Ou seja, como temos saídas de seções alternativas, isso garante saídas em quadratura de baixa impedância.

Sempre que uma saída é extraída de cada amp op, o circuito produz quatro ondas senoidais com mudança de fase de 45 °. A equação do loop pode ser escrita como:

Quando ⍵ = 1 / RCs , as equações acima diminuem nas seguintes Equações 7 e 8.

O ganho, A, deve atingir o valor 4 para iniciar uma oscilação.

O circuito de análise oscilou a 1,76 kHz em oposição à frequência ideal 1,72 kHz, enquanto o ganho parecia ser 4,17 em vez do ganho ideal de 4.

Devido a um ganho reduzido PARA e amplificadores operacionais de baixa polarização, o resistor RG responsável por fixar o ganho não carrega a seção RC final. Isso garante a saída de frequência do oscilador mais precisa.

Ondas senoidais de distorção extremamente baixa podem ser adquiridas da junção de R e RG.

Sempre que ondas senoidais de baixa distorção são necessárias em todas as saídas, o ganho deve ser distribuído igualmente entre todos os opamps.

A entrada não inversora do amplificador operacional de ganho é polarizada em 0,5 V para criar a tensão de saída quiescente em 2,5 V. A distribuição de ganho requer polarização dos outros amplificadores operacionais, mas certamente não tem nenhum impacto na frequência de oscilação.

Conclusões

Na discussão acima, entendemos que os osciladores de deslocamento de fase Op amp são restritos à extremidade inferior da banda de frequência.

Isso se deve ao fato de que os amplificadores operacionais não têm a largura de banda essencial para implementar a mudança de fase baixa em frequências mais altas.

Aplicar os modernos amplificadores operacionais de realimentação de corrente em circuitos osciladores parece difícil, pois são muito sensíveis à capacitância de realimentação.

Os amplificadores operacionais de realimentação de tensão são restritos a apenas alguns 100 kHz, uma vez que acumulam um deslocamento de fase excessivo.

O oscilador Wien-bridge funciona com um pequeno número de peças e sua estabilidade de frequência é muito aceitável.

Porém, diminuir a distorção em um oscilador de ponte de Wien é menos fácil do que iniciar o próprio processo de oscilação.

O oscilador de quadratura certamente funciona usando alguns amplificadores operacionais, mas inclui uma distorção muito maior. No entanto, os osciladores de mudança de fase, como o oscilador Bubba, exibem uma distorção muito menor junto com alguma estabilidade de frequência decente.

Dito isso, a funcionalidade aprimorada deste tipo de osciladores de deslocamento de fase não sai barato devido aos custos mais elevados das peças envolvidas nos vários estágios do circuito.

Sites relacionados
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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