A construção de um oscilador usando um amplificador operacional como elemento ativo é chamada de oscilador de amplificador operacional.
Neste post, aprendemos como projetar osciladores baseados em opamp e sobre os muitos fatores críticos necessários para gerar um projeto estável de oscilador.
Os osciladores baseados em amplificadores operacionais são normalmente usados para gerar formas de onda periódicas e precisas, como quadrado, dente de serra, triangular e sinusoidal.
Eles geralmente operam usando um único dispositivo ativo, uma lâmpada ou um cristal e associados a alguns dispositivos passivos, como resistores, capacitores e indutores, para gerar a saída.
Categorias de osciladores de amplificador operacional
Você encontrará alguns grupos principais de osciladores: relaxamento e sinusoidal.
Os osciladores de relaxamento produzem formas de onda triangulares, dente de serra e outras formas não inoxidáveis.
Os osciladores sinusoidais incorporam amplificadores operacionais que usam peças adicionais usadas para criar oscilação ou cristais que possuem geradores de oscilação embutidos.
Os osciladores de onda senoidal são usados como fontes de teste ou formas de onda em muitas aplicações de circuitos.
Um oscilador senoidal puro apresenta apenas uma frequência única ou básica – idealmente sem harmônicos.
Como resultado, uma onda senoidal pode ser a entrada de um circuito, usando harmônicos de saída calculados para definir o nível de distorção.
As formas de onda nos osciladores de relaxamento são produzidas através de ondas senoidais que se somam para fornecer a forma estipulada.
Os osciladores são úteis para produzir pulsos consistentes que são usados como referência em aplicativos como áudio, geradores de funções, sistemas digitais e sistemas de comunicação.
Osciladores de onda senoidal
Os osciladores sinusoidais compreendem amplificadores operacionais que usam circuitos RC ou LC que contêm frequências de oscilação ajustáveis ou cristais que têm uma frequência de oscilação predeterminada.
A frequência e a amplitude da oscilação são estabelecidas pela seleção de partes passivas e ativas conectadas ao amplificador operacional central.
Osciladores baseados em amplificadores operacionais são circuitos criados para serem instáveis. Não é o tipo que às vezes é inesperadamente desenvolvido ou projetado em laboratório, mas os tipos que são deliberadamente construídos para continuar em uma condição instável ou oscilante.
Os osciladores do amplificador operacional estão ligados à extremidade inferior da faixa de frequência, porque os opamps não possuem a largura de banda necessária para implementar uma mudança de fase baixa em altas frequências.
Os opamps de realimentação de tensão são restritos a uma faixa de baixa kHz, já que o pólo principal de circuito aberto costuma ser tão pequeno quanto 10 Hz.
Os opamps modernos de retroalimentação de corrente são projetados com largura de banda significativamente maior, mas são incrivelmente difíceis de implementar em circuitos de osciladores, pois são sensíveis à capacitância de realimentação.
Os osciladores de cristal são recomendados em aplicações de alta frequência na faixa de centenas de MHz.
Requisitos básicos
No tipo mais básico, também chamado de tipo canônico, é usado um método de feedback negativo.
Isso se torna o pré-requisito para iniciar a oscilação, como mostra a Figura 1. Aqui vemos o diagrama de blocos para um método em que o VIN é definido como a tensão de entrada.
Vout significa a saída do bloco A.
β indica o sinal, também chamado de fator de feedback, que é retornado à junção somatória.
E significa o elemento de erro equivalente à soma do fator de realimentação e da tensão de entrada.
As equações resultantes para um circuito oscilador podem ser vistas abaixo. A primeira equação é a importante que define a tensão de saída. A equação 2 fornece o fator de erro.
Vout = E x A —————————— (1)
E = Vin + βVout ————————– (2)
A eliminação do fator de erro E das equações acima fornece
Vout / A = Vin – βVout —————– (3)
Extraia os elementos no Vout da
Vin = Vout (1 / A + β) ——————— (4)
O rearranjo dos termos na equação acima nos fornece a seguinte fórmula clássica de feedback através da equação # 5
Vout / Vin = A / (1 + Aβ) —————- (5)
Os osciladores podem operar sem a ajuda de um sinal externo. Em vez disso, parte do pulso de saída é usado como entrada através de uma rede de feedback.
Uma oscilação é iniciada quando o feedback falha em atingir um estado estável estável. Isso acontece porque a ação de transferência não é cumprida.
Essa instabilidade ocorre quando o denominador da equação # 5 se torna zero, conforme mostrado abaixo:
1 + Aβ = 0 ou Aβ = -1.
O ponto crucial ao projetar um circuito oscilador é garantir Aβ = -1. Essa condição é chamada Critérios de Barkhausen.
Para satisfazer essa condição, torna-se essencial que o valor do ganho do loop permaneça unido por meio de uma mudança de fase correspondente de 180 graus. Isso é entendido pelo sinal negativo na equação.
Os resultados acima podem ser expressos alternativamente, como mostrado abaixo, usando símbolos de álgebra complexos:
Aβ = 1 ㄥ -180 °
Ao projetar um oscilador de feedback positivo, a equação acima pode ser escrita como:
Aβ = 1 ㄥ 0 ° o que torna negativo o termo Aβ na equação # 5.
Quando Aβ = -1, a saída de realimentação tende a se mover em direção à tensão infinita.
Quando isso se aproxima dos níveis máximos de alimentação + ou -, os dispositivos de nível de ganho ativo nos circuitos mudam.
Isso faz com que o valor de A se torne Aβ -1, diminuindo o foco da tensão de realimentação infinita e, eventualmente, interrompendo-o.
Aqui podemos encontrar uma das três possibilidades:
- Saturação ou corte não linear que faz com que o oscilador se estabilize e trave.
- A carga inicial força o sistema a saturar por um período muito longo antes de se tornar linear e começar a se aproximar do trilho de alimentação oposto.
- O sistema continua na região linear e reverte para o trilho de alimentação oposto.
No caso da segunda possibilidade, temos oscilações imensamente distorcidas, geralmente na forma de ondas quase quadradas.
O que é mudança de fase nos osciladores?
A mudança de fase de 180 ° na equação Aβ = 1 ㄥ -180 ° é criada através dos componentes ativos e passivos.
Como qualquer loop de feedback projetado adequadamente, os osciladores são construídos com base na mudança de fase dos componentes passivos.
Isso ocorre porque os resultados das peças passivas são precisos e praticamente sem desvio. A mudança de fase adquirida dos componentes ativos é imprecisa devido a muitos fatores.
Ele pode flutuar com as mudanças de temperatura, pode mostrar uma ampla tolerância inicial e também os resultados podem depender das características do dispositivo.
Os amplificadores operacionais são escolhidos para garantir que causem uma mudança de fase mínima na frequência de oscilação.
Um circuito unipolar RL (resistor-indutor) ou RC (resistor-caapcitor) produz uma mudança de fase de aproximadamente 90 ° por polo.
Como 180 ° é necessário para a oscilação, um mínimo de dois pólos é usado ao projetar um oscilador.
Um circuito LC possui 2 pólos; portanto, fornece uma mudança de fase de 180 ° para cada par de pólos.
No entanto, não discutiremos projetos baseados em LC aqui devido ao envolvimento de indutores de baixa frequência que podem ser caros, volumosos e indesejáveis.
Os osciladores LC destinam-se a aplicações de alta frequência, que podem estar acima da faixa de frequência dos opamps, com base no princípio de feedback de tensão.
Aqui você pode descobrir que o tamanho, peso e custo do indutor não têm muita importância.
A mudança de fase determina a frequência de oscilação, uma vez que o circuito pulsa na frequência que atinge uma mudança de fase de 180 graus. O df / dt ou a taxa na qual a fase muda muda com a frequência, decide a estabilidade da frequência.
Quando seções RC em cascata amortecidas são usadas na forma de amplificadores opacos, que oferecem alta impedância de entrada e baixa saída, a mudança de fase é multiplicada pelo número de seções, norte (Veja a figura abaixo).
Apesar de duas seções de RC em cascata terem uma mudança de fase de 180 °, é possível que d posible / dt seja mínimo na frequência do oscilador.
Como resultado, os osciladores construídos com duas seções RC em cascata oferecem inadequado Estabilidade de frequência.
Três seções de filtro RC em cascata idênticas fornecem um aumento de dФ / dt, permitindo ao oscilador uma estabilidade de frequência aprimorada.
Entretanto, a introdução de uma quarta seção RC cria um oscilador com um excepcional d / dt.
Portanto, isso se torna uma configuração extremamente estável do oscilador.
O intervalo preferido é de quatro seções, principalmente porque os opamps estão disponíveis em pacotes quad.
Além disso, o oscilador de quatro seções produz 4 ondas senoidais que mudam de fase 45 ° com referência uma à outra, o que significa que esse oscilador permite obter ondas senoidais / cosseno ou quadratura.
Uso de cristais e ressonadores cerâmicos.
Os ressonadores de cristal ou cerâmica nos fornecem os osciladores mais estáveis. Isso ocorre porque os ressonadores vêm com um dФ / dt incrivelmente alto como resultado de suas propriedades não lineares.
Os ressonadores são aplicados em osciladores de alta frequência, no entanto os osciladores de baixa frequência geralmente não funcionam com ressonadores devido a limitações de tamanho, peso e custo.
Você descobrirá que os amplificadores operacionais não são usados com osciladores de ressonador de cerâmica, principalmente porque os opamps incluem largura de banda reduzida.
Estudos mostram que é mais barato construir um oscilador de cristal de alta frequência e ajustar a saída para adquirir uma frequência baixa em vez de um ressonador de baixa frequência.
Ganho do oscilador
O ganho de um oscilador deve corresponder 1 na frequência de oscilação. O design estabiliza quando o ganho é maior que 1 e as oscilações param.
Assim que o ganho atingir mais de 1, juntamente com uma mudança de fase de –180 °, a propriedade não linear do dispositivo ativo (opamp) reduz o ganho para 1.
Quando a não-linearidade ocorre, o opamp oscila próximo aos níveis de suprimento (+/-) devido ao corte reduzido ou ganho de saturação do dispositivo ativo (transistor).
Uma coisa estranha é que os circuitos mal projetados realmente exigem ganhos marginais maiores que 1 durante sua produção.
Por outro lado, um ganho maior leva a uma quantidade maior de distorção para a onda senoidal de saída.
Nos casos em que o lucro é mínimo, as oscilações cessam em circunstâncias extremamente desfavoráveis.
Quando o ganho é muito alto, a forma de onda de saída parece ser muito mais semelhante a uma onda quadrada do que a uma onda senoidal.
A distorção é geralmente uma consequência imediata do ganho excessivo que sobrecarrega o amplificador.
Portanto, o ganho deve ser controlado com cautela para obter osciladores de baixa distorção.
Os osciladores de mudança de fase podem mostrar distorção, no entanto, podem ter a capacidade de obter tensões de saída de baixa distorção usando seções RC em cascata amortecidas.
Isso ocorre porque as seções RC em cascata se comportam como filtros de distorção. Além disso, os osciladores de mudança de fase amortecidos sofrem baixa distorção à medida que o ganho é gerenciado e equilibrado igualmente entre os amortecedores.
conclusão
Com a discussão anterior, aprendemos o princípio operacional básico dos osciladores opamp e entendemos os critérios fundamentais para alcançar oscilações sustentadas. No próximo post, aprenderemos sobre os osciladores da ponte de Viena.
FONTE
Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)
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