RC oscillator

Linjära elektroniska oscillatorkretsar , som genererar en sinusformad utsignal, är sammansatta av en förstärkare och ett frekvensselektivt element, ett filter . En linjär oscillatorkrets som använder ett RC-nätverk , en kombination av motstånd och kondensatorer , för sin frekvensselektiva del kallas en RC-oscillator .

Beskrivning

RC-oscillatorer är en typ av återkopplingsoscillator ; de består av en förstärkningsenhet, en transistor , ett vakuumrör eller en op-amp , med en del av dess utgångsenergi matad tillbaka till dess ingång via ett nätverk av motstånd och kondensatorer , ett RC-nätverk , för att uppnå positiv feedback , vilket får den att generera en oscillerande sinusformad spänning. De används för att producera lägre frekvenser , mestadels ljudfrekvenser , i sådana applikationer som ljudsignalgeneratorer och elektroniska musikinstrument. Vid radiofrekvenser , en annan typ av återkopplingsoscillator, används LC-oscillatorn, men vid frekvenser under 100 kHz blir storleken på induktorerna och kondensatorerna som behövs för LC-oscillatorn besvärliga, och RC-oscillatorer används istället. Deras avsaknad av skrymmande induktorer gör dem också lättare att integrera i mikroelektroniska enheter. Eftersom oscillatorns frekvens bestäms av värdet på motstånd och kondensatorer, som varierar med temperaturen, har RC-oscillatorer inte lika bra frekvensstabilitet som kristalloscillatorer .

Svängningsfrekvensen bestäms av Barkhausen-kriteriet , som säger att kretsen endast kommer att oscillera vid frekvenser för vilka fasförskjutningen runt återkopplingsslingan är lika med 360° (2π radianer) eller en multipel av 360°, och slingförstärkningen (förstärkningen runt återkopplingsslingan) är lika med en. Syftet med återkopplings-RC-nätverket är att tillhandahålla rätt fasförskjutning vid den önskade oscillerande frekvensen så att slingan har 360° fasförskjutning, så sinusvågen, efter att ha passerat genom slingan kommer att vara i fas med sinusvågen i början och förstärka det, vilket resulterar i positiv feedback. Förstärkaren tillhandahåller förstärkning kompensera för den energi som går förlorad när signalen passerar genom återkopplingsnätverket, för att skapa ihållande svängningar. Så länge förstärkarens förstärkning är tillräckligt hög för att den totala förstärkningen runt slingan är ett eller högre, kommer kretsen i allmänhet att svänga.

I RC-oscillatorkretsar som använder en enda inverterande förstärkningsanordning, såsom en transistor, ett rör eller en op-förstärkare med återkopplingen applicerad på den inverterande ingången, tillhandahåller förstärkaren 180° av fasförskjutningen, så RC-nätverket måste tillhandahålla den andra 180°. Eftersom varje kondensator kan ge maximalt 90° fasförskjutning, kräver RC-oscillatorer minst två frekvensbestämmande kondensatorer i kretsen (två poler ), och de flesta har tre eller fler, med ett jämförbart antal motstånd.

Detta gör det svårare att ställa in kretsen till olika frekvenser än i andra typer som LC-oscillatorn, där frekvensen bestäms av en enda LC-krets så endast ett element måste varieras. Även om frekvensen kan varieras över ett litet område genom att justera ett enda kretselement, för att ställa in en RC-oscillator över ett brett område måste två eller flera motstånd eller kondensatorer varieras unisont, vilket kräver att de sammanfogas mekaniskt på samma axel . Oscillationsfrekvensen är proportionell mot inversen av kapacitansen eller resistansen, medan i en LC-oscillator är frekvensen proportionell mot invers kvadratroten av kapacitansen eller induktansen. Så ett mycket bredare frekvensområde kan täckas av en given variabel kondensator i en RC-oscillator. Till exempel kommer en variabel kondensator som kan varieras över ett kapacitansintervall på 9:1 att ge en RC-oscillator ett frekvensområde på 9:1, men i en LC-oscillator ger den bara ett 3:1-område.

Några exempel på vanliga RC-oscillatorkretsar listas nedan:

En fasförskjutningsoscillator

Fasförskjutningsoscillator

Huvudartikel: Fasförskjutningsoscillator

I fasförskjutningsoscillatorn är återkopplingsnätverket tre identiska kaskadkopplade RC-sektioner. I den enklaste designen har kondensatorerna och resistorerna i varje sektion samma värde $\scriptstyle R\;=\;R1\;=\;R2\;=\;R3$ och $\scriptstyle C\;=\;C1\;=\;C2\;=\;$ . Sedan bidrar vid svängningsfrekvensen varje RC-sektion med 60° fasförskjutning för totalt 180°. Svängningsfrekvensen är

$f={\frac {1}{2\pi RC{\sqrt {6}}}}$

Återkopplingsnätverket har en dämpning på 1/29, så op-ampen måste ha en förstärkning på 29 för att ge en loopförstärkning på ett för att kretsen ska svänga

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

En twin-T oscillator

Twin-T oscillator

En annan vanlig design är "Twin-T"-oscillatorn eftersom den använder två "T" RC-kretsar som drivs parallellt. En krets är en RCR "T" som fungerar som ett lågpassfilter . Den andra kretsen är en CRC "T" som fungerar som ett högpassfilter . Tillsammans bildar dessa kretsar en brygga som är avstämd till önskad svängningsfrekvens. Signalen i CRC-grenen av Twin-T-filtret flyttas fram, i RCR - fördröjd, så de kan avbryta varandra för frekvensen $f={\frac {1}{2\ pi RC}}$ om $x=2$ ; om den är kopplad som negativ återkoppling till en förstärkare, och x>2, blir förstärkaren en oscillator. (Obs: $x=C2/C1=R1/R2$ .)

Kvadraturoscillator

Kvadraturoscillatorn använder två kaskadkopplade op-amp- integratorer i en återkopplingsslinga, en med signalen tillförd den inverterande ingången eller två integratorer och en inverterare. Fördelen med denna krets är att de sinusformade utgångarna från de två op-förstärkarna är 90° ur fas (i kvadratur). Detta är användbart i vissa kommunikationskretsar.

Det är möjligt att stabilisera en kvadraturoscillator genom att kvadratisera sinus- och cosinusutgångarna, addera dem tillsammans, ( pythagoras trigonometrisk identitet ) subtrahera en konstant och applicera skillnaden på en multiplikator som justerar slingförstärkningen runt en växelriktare. Sådana kretsar har ett nästan omedelbart amplitudsvar på den konstanta ingången och extremt låg distorsion.

Oscillatorer med låg distorsion

Barkhausen-kriteriet som nämns ovan bestämmer inte svängningsamplituden. En oscillatorkrets med endast linjära komponenter är instabil med avseende på amplitud. Så länge slingförstärkningen är exakt en, skulle amplituden för sinusvågen vara konstant, men den minsta ökningen av förstärkningen, på grund av en drift i värdet på komponenter, kommer att få amplituden att öka exponentiellt utan gräns. På samma sätt kommer den minsta minskningen att göra att sinusvågen dör ut exponentiellt till noll. Därför måste alla praktiska oscillatorer ha en olinjär komponent i återkopplingsslingan, för att minska förstärkningen när amplituden ökar, vilket leder till stabil drift vid amplituden där loopförstärkningen är enhet.

I de flesta vanliga oscillatorer är olinjäriteten helt enkelt förstärkarens mättnad (klippning) när amplituden för sinusvågen närmar sig strömförsörjningsskenorna. Oscillatorn är utformad för att ha en ringsignalförstärkning som är större än en. Den högre förstärkningen gör att en oscillator kan börja med att exponentiellt förstärka något ständigt närvarande brus.

När topparna på sinusvågen närmar sig matningsskenorna, plattar (klipper) förstärkaranordningens mättnad topparna, vilket minskar förstärkningen. Till exempel kan oscillatorn ha en loopförstärkning på 3 för små signaler, men den loopförstärkningen sjunker omedelbart till noll när utgången når en av strömförsörjningsskenorna. Nettoeffekten är att oscillatoramplituden kommer att stabiliseras när medelförstärkningen över en cykel är en. Om den genomsnittliga slingförstärkningen är större än en, ökar utgångsamplituden tills olinjäriteten minskar medelförstärkningen till ett; om den genomsnittliga slingförstärkningen är mindre än en, då minskar utgångsamplituden tills medelförstärkningen är ett. Den olinjäritet som minskar förstärkningen kan också vara mer subtil än att köra in i en strömförsörjningsskena.

Resultatet av denna förstärkningsmedelvärde är viss harmonisk distorsion i utsignalen. Om den lilla signalförstärkningen bara är lite mer än en, behövs bara en liten mängd förstärkningskompression, så det blir inte mycket harmonisk distorsion. Om den lilla signalförstärkningen är mycket mer än en, kommer betydande distorsion att finnas. Men oscillatorn måste ha en vinst betydligt över en för att starta pålitligt.

Så i oscillatorer som måste producera en sinusvåg med mycket låg distorsion , används ett system som håller förstärkningen ungefär konstant under hela cykeln. En vanlig design använder en glödlampa eller en termistor i återkopplingskretsen. Dessa oscillatorer utnyttjar motståndet hos en volframglödtråd hos lampan ökar i proportion till dess temperatur (en termistor fungerar på liknande sätt) . Lampan både mäter utgångsamplituden och styr oscillatorförstärkningen samtidigt. Oscillatorns signalnivå värmer glödtråden. Om nivån är för hög, ökar glödtrådens temperatur gradvis, motståndet ökar och slingförstärkningen sjunker (därmed oscillatorns utgångsnivå minskar). Om nivån är för låg kyls lampan ner och ökar förstärkningen. 1939 HP200A-oscillatorn använder denna teknik. Moderna varianter kan använda explicita nivådetektorer och förstärkningskontrollerade förstärkare.

Wien brooscillator med automatisk förstärkningskontroll. Rb är en liten glödlampa. Vanligtvis är R1 = R2 = R och C1 = C2 = C. Vid normal drift värms Rb själv till den punkt där dess motstånd är Rf/2.

Wien brooscillator

Huvudartikel: Wien bridge oscillator

En av de vanligaste förstärkningsstabiliserade kretsarna är Wien-brooscillatorn . I denna krets används två RC-kretsar, en med RC-komponenterna i serie och en med RC-komponenterna parallella. Wien Bridge används ofta i ljudsignalgeneratorer eftersom den enkelt kan ställas in med en tvåsektions variabel kondensator eller en tvåsektions variabel potentiometer (som är lättare att få än en variabel kondensator som lämpar sig för generering vid låga frekvenser). Den arketypiska ljudoscillatorn HP200A är en Wien Bridge-oscillator.

externa länkar

• Media relaterade till RC-oscillatorer på Wikimedia Commons