Fasförskjutningsoscillator

En fasförskjutningsoscillator är en linjär elektronisk oscillatorkrets som producerar en sinusvågsutgång . Den består av ett inverterande förstärkarelement såsom en transistor eller op-förstärkare med dess utgång återkopplad till dess ingång genom ett fasförskjutningsnätverk bestående av motstånd och kondensatorer i ett stegnätverk . Återkopplingsnätverket "skiftar" fasen på förstärkarens utsignal med 180 grader vid oscillationsfrekvensen för att ge positiv återkoppling . Fasförskjutningsoscillatorer används ofta vid ljudfrekvens som ljudoscillatorer .

Filtret producerar en fasförskjutning som ökar med frekvensen . Den måste ha en maximal fasförskjutning på mer än 180 grader vid höga frekvenser så fasförskjutningen vid den önskade svängningsfrekvensen kan vara 180 grader. Det vanligaste fasförskjutningsnätverket kaskader tre identiska motstånd-kondensatorsteg som ger en fasförskjutning på noll vid låga frekvenser och 270° vid höga frekvenser.

Den första integrerade kretsen var en fasskiftoscillator som uppfanns av Jack Kilby 1958.

Genomföranden

Kretsschema för fasförskjutningsoscillator som använder en BJT

Bipolär implementering

Denna schematiska ritning visar oscillatorn som använder en gemensam-emitter ansluten bipolär transistor som förstärkare. De två motstånden R och tre kondensatorer C bildar RC-fasförskjutningsnätverket som ger återkoppling från kollektor till transistorbas. Motstånd Rb tillhandahåller basförspänningsström _. Motstånd Rc är kollektorbelastningsmotståndet för kollektorströmmen _. Motstånd R _s isolerar kretsen från den externa belastningen.

Kretsschema för fasförskjutningsoscillator som använder en JFET

FET-implementering

Denna krets implementerar oscillatorn med en FET . R1 , R2 , Rs och Cs _{tillhandahåller förspänning} för transistorn _{. _} _ Observera att topologin som används för positiv återkoppling är spänningsserieåterkoppling.

Implementering av op-amp

Kretsschema för en fasförskjutningsoscillator som använder en op-amp

Implementeringen av fasförskjutningsoscillatorn som visas i diagrammet använder en operationsförstärkare (op-amp), tre kondensatorer och fyra motstånd .

Kretsens modelleringsekvationer för oscillationsfrekvensen och oscillationskriteriet är komplicerade eftersom varje RC-steg belastar de föregående. Om vi ​​antar en idealisk förstärkare, med mycket låg utgångsimpedans och mycket hög ingångsimpedans, är oscillationsfrekvensen:

$f_{\mathrm {oscillation} }={\frac {1}{2\pi {\sqrt {R_{2}R_{3}(C_{1} C_{2}+C_{1}C_{3}+C_{2}C_{3})+R_{1}R_{3}(C_{1}C_{2}+C_{1}C_{3} )+R_{1}R_{2}C_{1}C_{2}}}}}$

Återkopplingsmotståndet som krävs för att bara upprätthålla oscillation är:

${\ start{aligned}R_{\mathrm {fb} }=&2(R_{1}+R_{2}+R_{3})+{\frac {2R_{1}R_{3}}{R_{2}} }+{\frac {C_{2}R_{2}+C_{2}R_{3}+C_{3}R_{3}}{C_{1}}}\\&+{\frac {2C_{ 1}R_{1}+C_{1}R_{2}+C_{3}R_{3}}{C_{2}}}+{\frac {2C_{1}R_{1}+2C_{2} R_{1}+C_{1}R_{2}+C_{2}R_{2}+C_{2}R_{3}}{C_{3}}}\\&+{\frac {C_{1 }R_{1}^{2}+C_{3}R_{1}R_{3}}{C_{2}R_{2}}}+{\frac {C_{2}R_{1}R_{3 }+C_{1}R_{1}^{2}}{C_{3}R_{2}}}+{\frac {C_{1}R_{1}^{2}+C_{1}R_{ 1}R_{2}+C_{2}R_{1}R_{2}}{C_{3}R_{3}}}\end{aligned}}$

Ekvationerna är enklare när alla motstånd (utom det negativa återkopplingsmotståndet ) har samma värde och alla kondensatorer har samma värde. I diagrammet, om R ₁ = R ₂ = R ₃ = R och C ₁ = C ₂ = C ₃ = C , då:

$f_{\mathrm {oscillation} }={\frac {1}{2\pi RC{\sqrt {6}}} }$

och oscillationskriteriet är:

$R_{\mathrm {fb} }=29\cdot R$

, när ström tillförs kretsen, ger termiskt elektriskt brus i kretsen eller påslagningstransienten en initial signal för att starta svängningen. I praktiken måste återkopplingsmotståndet vara lite större så att oscillationen kommer att växa i amplitud snarare än att förbli samma (liten) amplitud. Om förstärkaren vore idealisk skulle amplituden öka utan gräns, men i praktiken är förstärkare olinjära och deras momentana förstärkning varierar. När amplituden ökar kommer förstärkarens mättnad att minska förstärkarens genomsnittliga förstärkning. Följaktligen kommer oscillationsamplituden att fortsätta att öka tills den genomsnittliga loopförstärkningen för kretsen faller till ett; vid den punkten kommer amplituden att stabiliseras.

När oscillationsfrekvensen är tillräckligt hög för att vara nära förstärkarens gränsfrekvens , kommer förstärkaren att bidra med en betydande fasförskjutning själv, vilket kommer att lägga till fasförskjutningen av återkopplingsnätverket. Därför kommer kretsen att oscillera med en frekvens vid vilken återkopplingsfiltrets fasförskjutning är mindre än 180 grader.

Den enda op-amp-kretsen behöver en relativt hög förstärkning (cirka 30) för att bibehålla oscillationen på grund av att RC-sektionerna laddar varandra. Om varje RC-segment inte påverkade de andra skulle en förstärkning på cirka 8 till 10 vara tillräcklig för oscillation. En isolerad version av oscillatorn kan göras genom att sätta in en op-amp-buffert mellan varje RC-steg (detta förenklar också modelleringsekvationerna).

externa länkar

• Media relaterade till fasförskjutningsoscillatorer på Wikimedia Commons