位相シフト発振器–ウィーンブリッジ、バッファ付き、直交、ババ

位相シフト発振器は、正弦波出力を生成するように設計された発振回路です。これは、BJTや反転増幅器モードで構成されたオペアンプなどの単一のアクティブエレメントで動作します。

回路構成は、ラダー型ネットワークに配置されたRC（抵抗/コンデンサ）回路を使用して、出力から入力へのフィードバックを作成します。このフィードバックの導入により、増幅器からの出力の位相が発振器周波数で180度正の「シフト」を引き起こします。

RCネットワークによって生成される位相シフトの大きさは周波数に依存します。発振器周波数が高いほど、位相シフトが大きくなります。

以下の包括的な説明は、概念をより詳細に学習するのに役立ちます。

の中に 前の投稿 オペアンプベースの位相シフト発振器を設計する際に必要な重要な考慮事項について学びました。この投稿では、それをさらに先に進め、 位相シフト発振器の種類 数式を使用して関連するパラメータを計算する方法。

ウィーンブリッジ回路

以下の図は、ウィーンブリッジ回路のセットアップを示しています。

ここで、オペアンプの正の入力でループを中断し、次の式2を使用して戻り信号を計算できます。

いつ ⍵ = 2πpf = 1/RC 、フィードバックは同相（正のフィードバック）であり、 1/3 。

したがって、発振にはオペアンプ回路のゲインが3である必要があります。

Rのとき F = 2R G 、アンプのゲインは3で、発振はf = 1 /2πRCで始まります。

私たちの実験では、回路は図3に示されている部品の値を使用して、1.59kHzではなく1.65kHzで振動しましたが、明らかな歪みがありました。

次の図は、次のウィーンブリッジ回路を示しています。 非線形フィードバック 。

ランプ電流はRFとRLによって定義されるため、フィラメント抵抗が非常に低く選択されているランプRLを見ることができます。これは、RFのフィードバック抵抗値の約50％です。

ランプ電流とランプ抵抗の関係が非線形であるため、出力電圧の変動を最小限に抑えることができます。

また、上記で説明した非線形フィードバック要素の概念の代わりに、ダイオードを組み込んだ多くの回路を見つけることができます。

ダイオードを使用すると、穏やかな出力電圧制御が可能になり、歪みレベルを下げることができます。

ただし、上記の方法が好ましくない場合は、AGCの方法を選択する必要があります。これにより、歪みを減らすことができます。

次の図に、AGC回路を使用した一般的なウィーンブリッジ発振器を示します。

ここでは、D1を使用して負の正弦波をサンプリングし、サンプルはC1内に格納されます。

R1とR2は、バイアスがQ1に集中するように計算され、（R G + R Q1 ）はRに等しい F / 2予想される出力電圧。

出力電圧が高くなる傾向がある場合、Q1の抵抗が上昇し、その結果、ゲインが低下します。

最初のウィーンブリッジ発振回路では、0.833ボルトの電源が正のオペアンプ入力ピンに印加されているのがわかります。これは、出力静止電圧をVCC / 2 = 2.5Vに集中させるために行われました。

位相シフト発振器（1つのオペアンプ）

位相シフト発振器は、上記のように単一のオペアンプを使用して構築することもできます。

従来の考え方では、位相シフト回路では、ステージは分離され、相互に自己管理します。これにより、次の式が得られます。

個々のセクションの位相シフトが–60°の場合、ループの位相シフトは= –180°です。これは次の場合に発生します ⍵=2πpf = 1.732 / RC 接線60°= 1.73なので。

この時点でのβの値はたまたま（1/2）です。³、つまり、システムゲインを1のレベルにするには、ゲインAを8のレベルにする必要があります。

この図では、示された部品値の発振周波数は3.76 kHzであり、計算された2.76kHzの発振周波数とは異なります。

さらに、発振を開始するために必要なゲインは26であると測定され、計算されたゲイン8ではありません。

これらの種類の不正確さは、ある程度、コンポーネントの欠陥によるものです。

ただし、最も重要な影響を与える側面は、RCステージが互いに影響を与えることはないという誤った予測によるものです。

この単一のオペアンプ回路のセットアップは、アクティブコンポーネントがかさばり、高価格であったときに非常によく知られていました。

現在、オペアンプは経済的でコンパクトであり、単一のパッケージ内で4つの番号で利用できるため、単一のオペアンプの位相シフト発振器は最終的にその認識を失っています。

バッファ付き位相シフト発振器

上の図では、バッファリングされた位相シフト発振器が見られます。これは、予想される理想的な周波数2.76kHzではなく2.9kHzで脈動し、理想的なゲイン8ではなく8.33のゲインです。

バッファはRCセクションが相互に影響を与えることを禁止しているため、バッファされた位相シフト発振器は計算された周波数とゲインの近くで動作することができます。

ゲイン設定を担当する抵抗RGは、3番目のRCセクションに負荷をかけ、クワッドオペアンプの4番目のオペアンプがこのRCセクションのバッファとして機能できるようにします。これにより、効率レベルが理想的な値に達します。

位相シフト発振器ステージのいずれかから低歪みの正弦波を抽出できますが、最も自然な正弦波は最後のRCセクションの出力から導出できます。

これは通常、高インピーダンスの低電流接合であるため、負荷の変動に応じた負荷と周波数の偏差を回避するために、ここでは高インピーダンスの入力段を備えた回路を使用する必要があります。

直交発振器

直交発振器は位相シフト発振器の別のバージョンですが、3つのRCステージは、すべてのセクションが90°の位相シフトを合計するようにまとめられています。

オペアンプの出力間に90°の位相シフトが存在するという理由だけで、出力は正弦および余弦（直交）と呼ばれます。ループゲインは式4で決定されます。

と ⍵= 1 / RC 、式5は次のように簡略化されます。 1√–180° 、で振動につながる ⍵ = 2πpf = 1/RC.

実験された回路は、計算値1.59kHzではなく1.65kHzでパルス化され、その差は主に部品値の変動によるものです。

ババオシレーター

上に示したBubbaオシレーターは、位相シフトオシレーターのさらに別のバリエーションですが、クアッドオペアンプパッケージの利点を享受して、いくつかの特徴的な機能を生み出します。

4つのRCセクションでは、セクションごとに45°の位相シフトが必要です。つまり、この発振器には、周波数偏差を低減するための優れたdΦ/ dtが付属しています。

各RCセクションは45°の位相シフトを生成します。つまり、代替セクションからの出力があるため、低インピーダンスの直交出力が保証されます。

各オペアンプから出力が抽出されるたびに、回路は4つの45°位相シフト正弦波を生成します。ループ方程式は次のように書くことができます。

いつ ⍵= 1 / RC 、上記の式は次の式7および8に縮小されます。

発振を開始するには、ゲインAが4の値に達する必要があります。

分析回路は、理想的な周波数1.72kHzではなく1.76kHzで振動しましたが、ゲインは4の理想的なゲインではなく4.17であるように見えました。

ゲインが低下したため に 低バイアス電流オペアンプの場合、ゲインの固定を担当する抵抗RGは最終的なRCセクションに負荷をかけません。これにより、最も正確な発振器周波数出力が保証されます。

非常に低歪みの正弦波は、RとRGの接合部から取得できます。

すべての出力で低歪みの正弦波が必要な場合は常に、ゲインをすべてのオペアンプに均等に分配する必要があります。

ゲインオペアンプの非反転入力は、2.5 Vで静止出力電圧を生成するために、0.5 Vでバイアスされます。ゲイン分布は、他のオペアンプのバイアスを必要としますが、発振周波数には影響しません。

結論

上記の説明では、オペアンプの位相シフト発振器が周波数帯域の下限に制限されていることを理解しました。

これは、オペアンプがより高い周波数で低位相シフトを実装するために不可欠な帯域幅を持っていないという事実によるものです。

最新の電流フィードバックオペアンプを発振回路に適用することは、フィードバック容量に非常に敏感であるため、難しいように見えます。

電圧フィードバックオペアンプは、過度の位相シフトを発生させるため、わずか数100kHzに制限されています。

ウィーンブリッジ発振器は少数の部品を使用して動作し、その周波数安定性は非常に許容範囲内です。

ただし、ウィーンブリッジ発振器の歪みを和らげるのは、発振プロセス自体を開始するよりも簡単ではありません。

直交発振器は確かにいくつかのオペアンプを使用して動作しますが、はるかに高い歪みが含まれています。ただし、Bubbaオシレーターのような位相シフトオシレーターは、ある程度の周波数安定性とともに、はるかに低い歪みを示します。

そうは言っても、このタイプの位相シフト発振器の拡張機能は、回路のさまざまなステージに関連する部品のコストが高いため、安くはありません。

関連するWebサイト
www.ti.com/sc/ampers
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