Um oscilador de deslocamento 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 através do uso de um circuito RC (resistor/capacitor) disposto em uma rede do tipo escada. A introdução deste feedback causa um ‘deslocamento’ positivo na fase da saída do amplificador em 180 graus na frequência do oscilador.
A magnitude da mudança de fase criada pela rede RC é dependente da frequência. Frequências mais altas do oscilador criam uma maior quantidade de mudança de fase.
As explicações abrangentes a seguir nos ajudarão a aprender o conceito com mais detalhes.
No post anterior, aprendemos sobre as considerações críticas necessárias ao projetar um circuito oscilador de mudança de fase baseado em amplificador operacional. Neste post vamos levar mais adiante e saber mais sobre o tipos de osciladores de mudança de fase e como calcular os parâmetros envolvidos através de fórmulas.
Circuito da ponte de Viena
O diagrama abaixo mostra a configuração do circuito 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/RCo 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 RF = 2RGo 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 Wien-bridge tendo feedback não linear.
Podemos ver uma lâmpada RL cuja resistência de filamento é selecionada muito baixa, cerca de 50% do valor da resistência de realimentação de RF, já que a corrente da lâmpada é definida por RF e RL.
A relação entre a corrente da lâmpada e a resistência da lâmpada sendo não linear, ajuda a manter as variações de tensão de saída no nível mínimo.
Você também pode encontrar muitos circuitos incorporando diodo em vez do conceito de elemento de feedback 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 são favoráveis a você, então você deve optar pelos métodos AGC, que também ajudam a obter uma distorção reduzida.
Um oscilador de ponte de Wien comum usando um circuito AGC é exibido na figura a seguir.
Aqui, ele amostra a onda senoidal negativa por meio de D1, e a amostra é armazenada dentro de C1.
R1 e R2 são calculados de tal forma que centraliza o viés em Q1 para garantir que (RG + RQ1) é igual a RF/2 com a tensão de saída esperada.
Se a tensão de saída tende a aumentar, a resistência de Q1 aumenta, consequentemente diminuindo o ganho.
No primeiro circuito oscilador da ponte Wien, a alimentação de 0,833 volts pode ser vista aplicada no pino de entrada do opamp positivo. Isso foi feito para centralizar a tensão quiescente de saída em VCC/2 = 2,5 V.
Oscilador de mudança de fase (um opamp)
Um circuito oscilador de mudança de fase também pode ser construído usando apenas um único amplificador operacional, conforme mostrado acima.
O pensamento convencional é que em circuitos de mudança de fase os estágios são isolados e autogovernados um do outro. Isso nos dá a seguinte equação:
Quando a mudança de fase de uma 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 passa a ser (1/2)3o que significa que o ganho, A, tem que 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 de parte indicados foi de 3,76 kHz, e não conforme a frequência de oscilação calculada de 2,76 kHz.
Além disso, o ganho necessário para iniciar a oscilação foi medido como 26 e não conforme o ganho calculado de 8.
Esses tipos de imprecisões são, em certa medida, devido a imperfeições dos componentes.
No entanto, o aspecto que afeta mais significativo é devido às previsões erradas de que as etapas do RC nunca afetam umas às outras.
Essa configuração de circuito de amplificador operacional único costumava ser bastante conhecida em momentos em que os componentes ativos eram volumosos e caros.
Hoje em dia, os amplificadores operacionais são econômicos e compactos e estão disponíveis com quatro números em um único pacote, portanto, o oscilador de mudança de fase do amplificador operacional único acabou perdendo seu reconhecimento.
Oscilador de deslocamento de fase em buffer
Podemos ver um circuito 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 podem operar mais próximos da frequência e ganho calculados.
O resistor RG responsável pela configuração do ganho, carrega a terceira seção RC, permitindo que o 4º opamp em um quad opamp atue como um buffer para esta seção RC. Isso faz com que o nível de eficiência atinja um valor ideal.
Podemos extrair uma onda senoidal de baixa distorção de qualquer um dos estágios do oscilador de mudança 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 a variações de carga.
Oscilador de quadratura
O oscilador de quadratura é outra versão do circuito oscilador de mudança de fase, porém os três estágios RC são colocados juntos de forma que cada seção soma 90° de mudança de fase.
As saídas são denominadas seno e cosseno (quadratura) simplesmente porque existe uma mudança de fase de 90° entre as saídas do amplificador operacional. O ganho da malha é determinado através da Equação 4.
Com ⍵ = 1/RC a Equação 5 simplifica para 1√–180°levando a oscilações ⍵ = 2πpf = 1/RC.
O circuito experimentado pulsava 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
O circuito oscilador Bubba mostrado acima é mais uma variante do oscilador de mudança de fase, mas aproveita o benefício do pacote quad op-amp para produzir alguns recursos distintos.
Quatro seções RC exigem deslocamento 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 uma mudança de fase de 45°. Ou seja, porque temos saídas de seções alternativas garante saídas de quadratura de baixa impedância.
Sempre que uma saída é extraída de cada opamp, o circuito produz quatro ondas senoidais com deslocamento de fase de 45°. A equação do laço pode ser escrita como:
Quando ⍵ = 1/RCas equações acima encolhem nas seguintes Equações 7 e 8.
O ganho, A, deve atingir o valor de 4 para iniciar uma oscilação.
O circuito de análise oscilou em 1,76 kHz em oposição à frequência ideal de 1,72 kHz enquanto o ganho parecia ser de 4,17 em vez do ganho ideal de 4.
Devido a um ganho reduzido UMA e amplificadores operacionais de corrente de polarização baixa, o resistor RG responsável por fixar o ganho não carrega a seção final do RC. Isso garante a saída de frequência do oscilador mais precisa.
Ondas senoidais de distorção extremamente baixa podem ser adquiridas a partir da junção de R e RG.
Sempre que ondas senoidais de baixa distorção são necessárias em todas as saídas, o ganho na verdade 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 necessita de polarização dos outros amplificadores operacionais, mas certamente não tem nenhum impacto na frequência de oscilação.
Conclusões
Na discussão acima, entendemos que os circuitos osciladores de mudança de fase do amplificador operacional 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 o deslocamento de fase baixo em frequências mais altas.
A aplicação dos amplificadores operacionais modernos de realimentação de corrente em circuitos osciladores parece difícil, pois eles são muito sensíveis à capacitância de realimentação.
Os amplificadores operacionais de realimentação de tensão são restritos a apenas alguns 100 kHz, pois acumulam uma mudança de fase excessiva.
O oscilador Wien-bridge funciona com um pequeno número de peças e sua estabilidade de frequência é muito aceitável.
Mas, atenuar a distorção em um circuito 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, osciladores de mudança de fase, como o oscilador Bubba, exibem uma distorção muito menor, juntamente com uma estabilidade de frequência decente.
Dito isto, a funcionalidade aprimorada desse tipo de circuito oscilador de mudança de fase não é barata devido aos custos mais altos 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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