アクティブエレメントとしてオペアンプを使用して構築されたオシレータは、オペアンプオシレータと呼ばれます。
この投稿では、オペアンプベースの発振器を設計する方法と、安定した発振器設計を生成するために必要な多くの重要な要素について学びます。
オペアンプベースの発振器は通常、正方形、のこぎり波、三角波、正弦波などの正確な周期波形を生成するために使用されます。
一般に、これらは単一のアクティブデバイス、ランプ、または水晶を使用して動作し、抵抗、コンデンサ、インダクタなどのいくつかのパッシブデバイスによって関連付けられて出力を生成します。
オペアンプ発振器のカテゴリ
発振器のいくつかの主要なグループがあります:緩和と正弦波。
弛緩発振器は、三角形、のこぎり波、およびその他の非正弦波を生成します。
正弦波発振器は、発振を生成するのに慣れている追加の部品を使用するオペアンプ、または発振ジェネレータを内蔵した水晶を組み込んでいます。
正弦波発振器は、多くの回路アプリケーションでソースまたはテスト波形として使用されます。
純粋な正弦波発振器は、個々の周波数または基本周波数のみを備えています。理想的には、高調波はありません。
その結果、計算された出力高調波を使用して歪みのレベルを固定し、正弦波を回路への入力にすることができます。
弛緩発振器の波形は、正弦波を介して生成され、それらを合計して規定の形状を実現します。
発振器は、オーディオ、関数発生器、デジタルシステム、通信システムなどのアプリケーションで参照として使用される一貫したインパルスを生成するのに役立ちます。
正弦波発振器
正弦波発振器は、調整可能な発振周波数を含むRCまたはLC回路を使用するオペアンプ、または所定の発振周波数を持つ水晶で構成されます。
発振の周波数と振幅は、中央のオペアンプに接続されたパッシブパーツとアクティブパーツを選択することによって確立されます。
オペアンプベースの発振器は、不安定になるように作成された回路です。ラボで予期せず開発または設計されたタイプではなく、不安定または振動状態を継続するように意図的に構築されたタイプです。
オペアンプは、高周波で低位相シフトを実装するために必要な帯域幅が不足しているため、オペアンプの発振器は周波数範囲の下端に接続されています。
電圧フィードバックオペアンプは、主な開ループ極が10 Hzと小さいことが多いため、低kHz範囲に制限されています。
最新の電流フィードバックオペアンプは、非常に広い帯域幅で設計されていますが、フィードバック容量に敏感であるため、発振回路に実装するのは非常に困難です。
水晶発振器は、数百MHzの範囲の高周波アプリケーションで推奨されます。
基本要件
カノニカルタイプとも呼ばれる最も基本的なタイプでは、負のフィードバック方法が使用されます。
これは、図1に示すように、発振を開始するための前提条件になります。ここでは、VINを入力電圧として固定する方法のブロック図を示します。
Voutは、ブロックAからの出力を示します。
βは、フィードバック係数とも呼ばれる信号を示し、加算ジャンクションに戻されます。
Eは、フィードバック係数と入力電圧の合計に相当するエラー要素を示します。
発振回路の結果の方程式を以下に示します。最初の式は、出力電圧を定義する重要な式です。式2は誤差係数を示します。
Vout = E x A ------------------------------(1)
E = Vin +βVout - - - - - - - - - - - - - (二)
上記の式から誤差係数Eを削除すると、次のようになります。
Vout / A =Vin-βVout -----------------(3)
Voutの要素を抽出すると、
Vin = Vout(1 / A +β) ---------------------(4)
上記の式の項を再編成すると、式#5を介して次の古典的なフィードバック式が得られます。
Vout / Vin = A /(1 +Aβ) ----------------(5)
発振器は、外部信号の助けを借りずに動作することができます。むしろ、出力パルスの一部は、フィードバックされたネットワークを介した入力として利用されます。
フィードバックが安定した定常状態を達成できない場合、発振が開始されます。これは、転送アクションが実行されないために発生します。
この不安定性は、以下に示すように、式#5の分母がゼロになると発生します。
1 +Aβ= 0、またはAβ= -1。
発振回路を設計する際に重要なことは、Aβ= -1を確保することです。この状態は、 バルクハウゼン基準 。
この条件を満たすには、対応する180度の位相シフトを通じてループゲイン値が1のままであることが不可欠になります。これは、方程式の負の符号によって理解されます。
上記の結果は、複素代数の記号を使用して、以下に示すように代替的に表すことができます。
Aβ= 1ㄥ-180°
正帰還発振器を設計する際、上記の式は次のように書くことができます。
Aβ= 1ㄥ0° これにより、式#5の項Aβは負になります。
Aβ= -1の場合、フィードバック出力は無限大の電圧に向かって移動する傾向があります。
これが最大+または-電源レベルに近づくと、回路内のアクティブデバイスのゲインレベルが変化します。
これにより、Aの値がAβ≠-1になり、フィードバック無限電圧アプローチが遅くなり、最終的に停止します。
Here.weは、次の3つの可能性のいずれかが発生している可能性があります。
- 非線形の飽和またはカットオフにより、発振器が安定してロックします。
- システムが再び線形になり、反対側の供給レールに近づき始める前に、システムを非常に長い期間飽和させる初期電荷。
- システムは引き続き線形領域にあり、反対側の供給レールに戻ります。
2番目の可能性の場合、一般に準方形波の形で、非常に歪んだ振動が発生します。
式Aβ= 1ㄥ-180°の180°位相シフトは、アクティブコンポーネントとパッシブコンポーネントによって作成されます。
正しく設計されたフィードバック回路と同様に、発振器は受動部品の位相シフトに基づいて構築されています。
これは、パッシブパーツの結果が正確で、実質的にドリフトがないためです。有効成分から取得される位相シフトは、多くの要因によりほとんど不正確です。
温度変化に伴ってドリフトする可能性があり、広い初期許容誤差を示す可能性があり、結果はデバイスの特性に依存する可能性もあります。
オペアンプは、発振周波数に最小の位相シフトをもたらすことを保証するために選択されます。
単極RL(抵抗-インダクタ)またはRC(抵抗-コンデンサ)回路は、極ごとに約90°の位相シフトをもたらします。
発振には180°が必要なため、発振器の設計には最低2極を使用します。
LC回路は2つの極を持っているため、各極のペアに約180°の位相シフトを提供します。
ただし、高価でかさばり、望ましくない低周波インダクタが含まれるため、ここではLCベースの設計については説明しません。
LC発振器は、電圧フィードバックの原理に基づいて、オペアンプの周波数範囲を超えている可能性のある高周波アプリケーションを対象としています。
ここでは、インダクタのサイズ、重量、およびコストはそれほど重要ではないことがわかります。
回路は180度の位相シフトをフェッチする周波数でパルスを発生するため、位相シフトは発振周波数を確認します。 df / dtまたは位相シフトが周波数とともに変化する速度によって、周波数の安定性が決まります。
カスケード接続されたバッファ付きRCセクションがオペアンプの形で使用され、高入力および低出力インピーダンスを提供する場合、位相シフトはセクションの数で乗算されます。 n (下の図を参照)。
2つのカスケードされたRCセクションが180°の位相シフトを示すという事実にもかかわらず、発振器周波数でdФ/ dtが最小であることがわかる場合があります。
その結果、2つのカスケードRCセクションを使用して構築された発振器は 不十分 周波数安定性。
3つの同一のカスケードRCフィルターセクションにより、dФ/ dtが増加し、発振器の周波数安定性が向上します。
ただし、4番目のRCセクションを導入すると、 未解決の dФ/ dt。
したがって、これは非常に安定した発振器設定になります。
主にopampがクアッドパッケージで利用できるため、4つのセクションが好ましい範囲です。
また、4セクションオシレーターは、相互に45°位相シフトされた4つの正弦波を生成します。つまり、このオシレーターを使用すると、正弦/余弦波または直交正弦波を取得できます。
水晶とセラミック共振子の使用
水晶またはセラミック共振子は、最も安定した発振器を提供します。これは、共振器が非線形特性の結果として信じられないほど高いdФ/ dtを伴うためです。
共振器は高周波発振器に適用されますが、低周波発振器は通常、サイズ、重量、およびコストの制約のために共振器では機能しません。
主にオペアンプの帯域幅が狭くなっているため、セラミック共振子発振器ではオペアンプが使用されていないことがわかります。
研究によると、低周波共振器を組み込む代わりに、高周波水晶発振器を構築し、出力をトリミングして低周波を取得する方が安価であることが示されています。
オシレーターのゲイン
発振器のゲインは一致する必要があります 1 発振周波数で。ゲインが1より大きくなり、発振が停止すると、設計は安定します。
–180°の位相シフトとともにゲインが1を超えるとすぐに、アクティブデバイス(オペアンプ)の非線形特性によりゲインが1に低下します。
非線形性が発生すると、アクティブデバイス(トランジスタ)ゲインのカットオフまたは飽和が減少するため、オペアンプはいずれかの(+/-)電源レベルの近くでスイングします。
奇妙なことに、設計が不適切な回路では、実際には製造時に1を超える限界ゲインが必要になります。
一方、ゲインが高いほど、出力正弦波の歪みが大きくなります。
ゲインが最小の場合、極端に不利な状況では発振が停止します。
ゲインが非常に高い場合、出力波形は正弦波ではなく方形波に非常に似ているように見えます。
歪みは通常、アンプをオーバードライブするゲインが大きすぎることの直接の結果です。
したがって、低歪みの発振器を実現するには、ゲインを慎重に管理する必要があります。
位相シフト発振器は歪みを示す可能性がありますが、バッファリングされたカスケードRCセクションを使用して低歪みの出力電圧を実現できる場合があります。
これは、カスケードされたRCセクションが歪みフィルターとして動作するためです。さらに、バッファされた位相シフト発振器は、ゲインが管理され、バッファ間で均一にバランスが取れているため、歪みが少なくなります。
結論
上記の議論から、オペアンプ発振器の基本的な動作原理を学び、持続的な発振を実現するための基本的な基準について理解しました。次の投稿では、 ウィーンブリッジ発振器 。
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