Circuito gerador de onda senoidal. (10+)
Gerador de oscilações sinusoidais. Esquema
Na prática, muitas vezes nos deparamos com a necessidade de obter um sinal senoidal de uma certa frequência bastante baixa. Além disso, você precisa de um gerador de sinal que seja muito confiável. Ao mesmo tempo, os requisitos de qualidade dos seios da face não são muito rigorosos. Um nível de 2% de harmônicos ímpares é bastante adequado, quase sem harmônicos pares. São bem conhecidos geradores de tensão sinusoidal bons e confiáveis para frequências mais altas baseados em circuitos oscilantes. Mas para baixas frequências (abaixo de 10 kHz) teve que ser desenvolvido.
O gerador de Wien é usado como base. O oscilador Wien clássico usa um circuito especial que produz uma mudança de fase de 0 graus na frequência desejada. Este circuito transfere o sinal da saída do amplificador operacional para sua entrada não inversora. Em outras frequências, a mudança de fase é diferente de zero. É isso que determina a geração em uma determinada frequência. Este circuito atenua o sinal por um fator de três. Assim, para oscilação, o amplificador operacional deve fornecer um ganho de três vezes. Se o ganho for inferior a três, a geração não ocorrerá. Se o ganho for superior a três, ocorrerá saturação e a qualidade da onda senoidal será ruim. Se o ganho for três, o gerador gera um sinal de saída senoidal de amplitude imprevisível. Para eliminar a saturação e garantir a amplitude de sinal desejada na saída, um oscilador Wien clássico usa uma lâmpada incandescente para formar o ganho necessário no circuito de feedback negativo.
Aqui está uma seleção de materiais: Diodos Zener VD1, VD2- a 3,6 volts 1 W. Resistor R1- 20 kOhm. Resistência R4- resistor de corte 15 kOhm. Denominações resistores R2, R3 E capacitores C1 e C2 são iguais entre si e são determinados pela frequência. [ Frequência de geração (Hz)] = 1 / (2 * PI * [ Resistência de um dos resistores (Ohm)] * [Capacidade de um dos capacitores (F)] Capacitores C3, C4- 10 uF, 16 volts Resistores R5, R6- 10 kOhm O dispositivo gera um sinal senoidal com amplitude de cerca de 4 volts, simétrico em relação ao ponto de conexão de C3 e C4. Configurando um gerador senoidalA configuração do produto se resume à instalação do resistor de sintonia em uma posição que, Por um lado, ocorreu geração estável, por outro lado, o seno era de qualidade aceitável. Infelizmente, periodicamente são encontrados erros nos artigos, eles são corrigidos, os artigos são complementados, desenvolvidos e novos são preparados. Assine as novidades para se manter informado. Se algo não estiver claro, pergunte! |
Este circuito de gerador de sinal senoidal harmônico de baixa frequência destina-se ao ajuste e reparo de amplificadores de áudio.
Gerador de onda senoidal Juntamente com um milivoltímetro, osciloscópio ou medidor de distorção, cria um valioso complexo para ajustar e reparar todos os estágios de um amplificador de áudio.
O circuito gerador de onda senoidal é bastante simples e é construído sobre dois transistores, que proporcionam estabilidade de alta frequência e amplitude. O projeto do gerador não requer quaisquer elementos de estabilização, como lâmpadas, termistores ou outros componentes especiais para limitar a amplitude.
Cada uma das três frequências (300 Hz, 1 kHz e 3 kHz) é definida pela chave S1. A amplitude do sinal de saída pode ser alterada suavemente usando o resistor variável R15 em duas faixas, que são definidas pela chave S2. As faixas de amplitude disponíveis são 0 - 77,5 mV (219,7 mV pico a pico) e 0 - 0,775 V (2,191 V pico a pico).
As figuras a seguir mostram o layout da placa de circuito impresso e a disposição dos elementos nela.
Se todas as peças estiverem instaladas corretamente e não houver erros na instalação, o gerador de onda senoidal deverá funcionar na primeira vez que for ligado.
A tensão de alimentação do circuito pode estar na faixa de 8 a 15 volts. Para manter uma amplitude de tensão estável do sinal de saída, a linha de alimentação é estabilizada adicionalmente pelo microcircuito 78L05 e pelos diodos D1, D2, resultando em cerca de 6,2 volts na saída do estabilizador.
Antes de ligá-lo pela primeira vez, é necessário conectar a saída do gerador a um frequencímetro ou osciloscópio e, usando os resistores trimadores R3, R4 e R5, definir a frequência de saída exata para cada uma das faixas: 300 Hz, 1 kHz e 3 kHz. Se necessário, se não for totalmente possível ajustar as frequências, você poderá selecionar adicionalmente a resistência dos resistores constantes R6-R8.
http://pandatron.cz/?1134&sinusovy_generator_s_nizkym_zkreslenim
Radioconstrutor 2007 nº 11
Geralmente, geradores de sinal senoidal de baixa frequência construído em amplificadores operacionais. Mas portas lógicas Eles também podem funcionar em modo analógico - como amplificadores. Este tópico foi abordado várias vezes na literatura, mas principalmente eram circuitos amplificadores de sinal analógico (amplificadores de baixa frequência em chips CMOS, receptores de amplificação direta, etc.). Mas qualquer amplificador, mesmo um feito de elementos lógicos, pode ser transformado em um gerador - é tudo uma questão de feedback...
A Figura 1 mostra um diagrama de um gerador senoidal de baixa frequência de frequência fixa, implementado em dois inversores lógicos do microcircuito K561LN2. Os inversores são comutados para o modo analógico usando OOS nos resistores R1 e R3. cada um dos quais está conectado entre a entrada e a saída do inversor. Os amplificadores assim obtidos são conectados em série (em dois estágios) através do resistor R4. Além disso, o coeficiente de transmissão do primeiro estágio depende da relação entre as resistências R1 e R2. Como esses resistores são iguais, o coeficiente de transmissão do primeiro estágio é igual à unidade.O coeficiente de transmissão do segundo estágio é determinado pela relação das resistências R4 e R3, e pode ser ajustado pelo resistor R4.
Os resistores R1-R2 juntamente com os capacitores C1 e C2 formam uma ponte de Wien sintonizada em uma determinada frequência, que é determinada pela conhecida fórmula:
F=1/(RC), onde R=R1=R2, C=C1=C2.
Para obter uma onda senoidal irrestrita e sem distorções, você precisa ajustar o ganho do amplificador sob o resistor R4 integrado de acordo. Neste circuito, quando alimentado por uma fonte de 9V, o melhor formato de onda senoidal é obtido quando seu valor efetivo é de cerca de 1V.
Este gerador, embora feito em elementos lógicos, é puramente analógico e seu produto de saída não contém nenhum componente de pulso ou tensão de passo que requeira filtragem.
A Figura 2 mostra circuito oscilador de onda senoidal digital de quartzo, gerando uma tensão senoidal com frequência de 976,5625 Hz (na frequência do ressonador de quartzo de 500 kHz). Aqui, uma tensão senoidal é formada a partir de pulsos retangulares usando um DAC nos elementos do chip D2 e nos resistores. O período consiste em 32 etapas. O sinal de saída final é gerado pelo amplificador operacional A1 e pelo circuito RC conectado em sua saída. que suaviza as etapas que formam uma sinusóide.
A frequência da senóide de saída será 512 vezes menor que a frequência do ressonador de quartzo ou dos pulsos de entrada, que, quando operando a partir de uma fonte de pulso externa, podem ser fornecidos ao pino 11 de D1. Neste caso, as peças R1, R2, Q1, C1, C2 são excluídas
O circuito é atraente porque permite obter um sinal senoidal de baixa frequência com estabilidade de frequência de quartzo.
RadioMator 2002 No.
Outro circuito gerador de onda senoidal simples usando um microcircuito digital. Apesar de sua aparência incomum, o circuito é bastante confiável, o autor o utiliza há cerca de 2 anos.
O elemento principal do gerador é o microcircuito K155LAZ. A conexão em anel de três inversores DD1.1...DD1.3 é uma estrutura instável, propensa a excitação na frequência operacional máxima. O resistor R1 define o ponto operacional do microcircuito próximo ao limite de comutação. Devido à presença de uma “zona morta” nos circuitos TTL (a faixa de tensão entre os limites lógico “0” e lógico “1”), o IC entra no modo ativo. O circuito L1-C1 cria condições para excitação em sua própria frequência de ressonância. O fator de qualidade do circuito não importa muito; o circuito funciona de forma confiável mesmo com circuitos de baixa qualidade.
A estabilidade da frequência depende unicamente da estabilidade do circuito e é bastante elevada. A amplitude da tensão de saída depende do fator de qualidade do circuito e pode chegar a 2,5 V. Na frequência máxima (cerca de 10...15 MHz), a amplitude dos pulsos é 2 vezes menor e o microcircuito começa a aquecer acima.
O sinal de saída pode ser removido tanto da bobina L1 quanto do capacitor C1. Porém, é melhor retirá-lo da bobina, neste caso a capacitância da carga (mesmo muito significativa) tem efeito mínimo na frequência de operação. Apesar disso, é melhor conectar a carga através de um buffer. Pode ser um emissor ou seguidor de fonte, um buffer de amplificador operacional ou uma bobina de acoplamento - tudo depende da frequência de saída. Obviamente, na frequência de 1 kHz, deve-se dar preferência ao amplificador operacional e, na frequência de 5 MHz, à bobina de acoplamento.
A configuração do circuito se resume a selecionar o ponto de operação do IC usando o resistor R1. Para isso, conecte um osciloscópio à saída do gerador e, girando R1, obtenha geração estável com amplitude máxima. R1 é melhor usar um tipo multivoltas, como SPZ-39.
O dispositivo é compatível com qualquer inversor das séries TTL e TTLSh. É melhor evitar o uso de microcircuitos CMOS, porque alcançar a geração sustentável neles é quase impossível.
A. UVAROV, Belgorod.
Quando você não tem isso em mãos gerador de onda senoidal de alta qualidade- como depurar o amplificador que você está desenvolvendo? Temos que nos contentar com meios improvisados.
No início do milênio, toda a nossa família mudou-se para viver em países distantes. Alguns dos meus suprimentos eletrônicos nos seguiram, mas, infelizmente, nem todos. Fiquei então sozinho com grandes monoblocos que havia montado, mas ainda não depurado, sem osciloscópio, sem gerador de sinais, com muita vontade de concluir aquele projeto e finalmente ouvir música. Consegui um osciloscópio de um amigo para uso temporário. Com o gerador, eu mesmo tive que inventar algo com urgência. Naquela época, eu ainda não estava acostumado com os fornecedores de componentes disponíveis aqui. Entre os opamps que estavam em mãos estavam vários produtos indigestos da antiga indústria eletrônica soviética e um LM324 soldado a partir de uma fonte de alimentação de computador queimada.
Ficha técnica do LM324: National/TI, Fairchild, OnSemi... Adoro ler fichas técnicas da National - elas geralmente têm muitos exemplos interessantes de uso de peças. OnSemi também ajudou neste caso. Mas “Gypsy Little” privou seus seguidores de alguma coisa :)
Este artigo mostrou várias técnicas simples que permitem alcançar resultados muito geração e amplificação de alta qualidade de um sinal senoidal, usando um amplificador operacional barato amplamente disponível e um transistor de efeito de campo de junção pn:
Ficou tudo claro? Você encontrou algo novo ou original neste artigo? Ficarei satisfeito se você deixar um comentário ou fizer uma pergunta, e também compartilhar o artigo com seus amigos em uma rede social “clicando” no ícone correspondente abaixo.
Adendo (outubro de 2017) Encontrei na Internet: http://www.linear.com/solutions/1623. Tirei duas conclusões:
Esta entrada foi publicada em, por. Marque o .
Este site usa o Akismet para reduzir spam.
Geradores são circuitos que produzem oscilações periódicas de diversos formatos, como retangular, triangular, dente de serra e senoidal. Os geradores costumam utilizar diversos componentes ativos, lâmpadas ou ressonadores de quartzo, bem como componentes passivos - resistores, capacitores, indutores.
Existem duas classes principais de osciladores – relaxamento e harmônicos. Osciladores de relaxamento produzem sinais triangulares, dente de serra e outros sinais não senoidais e não são abordados neste artigo. Os geradores de onda senoidal consistem em amplificadores com componentes externos, ou os componentes podem ser montados no mesmo chip do amplificador. Este artigo discute geradores de sinais harmônicos baseados em amplificadores operacionais.
Geradores de sinais harmônicos são usados como geradores de referência ou de teste em muitos circuitos. Numa onda senoidal pura, apenas a frequência fundamental está presente - idealmente, não há outros harmônicos. Assim, ao aplicar um sinal senoidal na entrada de um dispositivo, é possível medir o nível de harmônicos em sua saída, determinando assim o fator de distorção não linear. Nos geradores de relaxação, o sinal de saída é formado a partir de um sinal senoidal, que é somado para formar oscilações de formato especial.
Os osciladores de amplificador operacional são circuitos astáveis - não no sentido de serem acidentalmente instáveis - mas sim, são projetados especificamente para permanecer em um estado instável ou oscilante. Os geradores são úteis para gerar sinais padrão usados como sinais de referência para aplicações em campos relacionados ao áudio, como geradores de funções, em sistemas digitais e em sistemas de comunicação.
Existem duas classes principais de geradores: senoidal e de relaxamento. Os sinusoidais consistem em amplificadores com circuitos RC ou LC, com os quais é possível alterar a frequência de geração, ou quartzo com frequência fixa. Osciladores de relaxamento geram oscilações triangulares, dente de serra, quadradas, pulsadas ou exponenciais e não são discutidos aqui.
Os geradores de onda senoidal operam sem que um sinal externo seja fornecido a eles. Em vez disso, uma combinação de feedback positivo ou negativo é usada para levar o amplificador a um estado instável, fazendo com que o sinal de saída passe da tensão de alimentação mínima para a máxima com um período constante. A frequência e amplitude das oscilações são determinadas por um conjunto de componentes ativos e passivos conectados ao amplificador operacional.
Os osciladores de amplificador operacional são limitados à faixa de baixa frequência do espectro de frequência porque não possuem a ampla largura de banda necessária para obter baixa mudança de fase em altas frequências. Os amplificadores operacionais de feedback de tensão são limitados à faixa de frequência de quilohertz porque o pólo dominante quando o circuito de feedback está aberto pode estar em uma frequência bastante baixa, como 10 Hz. Os amplificadores operacionais acoplados à corrente mais recentes têm largura de banda muito maior, mas são muito difíceis de usar em circuitos osciladores porque são sensíveis às capacitâncias de feedback. Osciladores com ressonadores de quartzo são utilizados para aplicações em circuitos de alta frequência na faixa de até centenas de MHz.
Para demonstrar as condições para a ocorrência de oscilações, é utilizada uma imagem clássica de um sistema com feedback negativo. A Figura 1 mostra um diagrama de blocos deste sistema, onde V IN é a tensão do sinal de entrada, V OUT é a tensão na saída do bloco amplificador (A), β é um sinal denominado coeficiente de feedback, que é realimentado ao somador. E representa o erro igual à soma do ganho de realimentação e da tensão de entrada.
Figura 1. Forma clássica de sistema com feedback positivo ou negativo.
As expressões clássicas correspondentes para o sistema de feedback são derivadas da seguinte forma. A equação (1) é a equação governante para a tensão de saída; equação (2) - para o erro correspondente:
SAÍDA V = E x A (1)
E = V ENTRADA - βV SAÍDA (2)
Expressando a primeira equação em termos de E e substituindo-a na segunda, obtemos
SAÍDA V /A = ENTRADA V - βV SAÍDA (3)
agrupando V OUT em uma parte da igualdade, obtemos
V ENTRADA = V SAÍDA (1/A + β) (4)
Reorganizando os termos da igualdade, obtemos a equação (5), a forma clássica de descrever o feedback:
V SAÍDA /V ENTRADA = A / (1 + Aβ) (5)
Os osciladores não necessitam de nenhum sinal externo para operar; em vez disso, eles usam uma parte do sinal de saída realimentado para a entrada através de um circuito de feedback.
As oscilações nos geradores surgem do fato de que o sistema de realimentação não consegue encontrar um estado estável, porque a condição da função de transferência não pode ser satisfeita. O sistema torna-se instável quando o denominador na equação (5) vai para zero, ou seja, quando 1 + Aβ = 0 ou Aβ = -1. A chave para criar um gerador é satisfazer a condição Aβ = -1. Este é o chamado critério de Barkhausen. Para satisfazer este critério, é necessário que o ganho da malha de realimentação esteja em fase com o deslocamento de fase correspondente de 180°, conforme indicado pelo sinal negativo. Uma expressão equivalente usando notação de álgebra complexa seria Aβ =1∠-180° para um sistema de feedback negativo. Para um sistema de feedback positivo, a expressão será semelhante a Aβ =1∠-0° e o sinal do termo Aβ na equação (5) será negativo.
À medida que a mudança de fase se aproxima de 180°, e |Aβ| --> 1, a tensão de saída do sistema agora instável tende ao infinito, mas é, obviamente, limitada a valores finitos devido à limitação da tensão da fonte de alimentação. Quando a amplitude da tensão de saída atinge o valor de qualquer uma das tensões de alimentação, os dispositivos ativos nos amplificadores alteram o ganho. Isso leva ao fato de que o valor de A muda, e também faz com que Aβ se afaste do infinito e, assim, a trajetória da mudança de tensão na direção do infinito desacelera e eventualmente para. Nesta fase, uma de três coisas pode acontecer:
I. não linearidades no modo de saturação ou corte colocam o sistema em estado estacionário e mantêm a tensão de saída próxima da tensão da fonte de alimentação.
II. As mudanças iniciais levam o sistema à saturação (ou corte) e o sistema permanece neste estado por um longo tempo antes de se tornar linear e a tensão de saída começar a mudar em direção à fonte de energia oposta.
III. O sistema permanece linear e inverte a direção da tensão de saída em direção à fonte de energia oposta.
A segunda opção produz oscilações altamente distorcidas (geralmente de formato quase retangular); tais geradores são chamados de geradores de relaxamento. A terceira opção produz uma onda senoidal.
Na equação Aβ =1∠-180°, uma mudança de fase de 180° é contribuída por componentes ativos e passivos. Como qualquer circuito de realimentação adequadamente projetado, os osciladores dependem da mudança de fase introduzida pelos componentes passivos porque a mudança de fase é precisa e quase não apresenta desvio. A mudança de fase introduzida pelos componentes ativos é minimizada porque depende da temperatura, tem uma ampla tolerância inicial e depende dos tipos de elementos ativos. Os amplificadores são selecionados de forma que introduzam mudança de fase mínima ou nenhuma mudança de fase na frequência de oscilação. Esses fatores limitam a faixa operacional dos osciladores de amplificador operacional a frequências relativamente baixas.
As cadeias RL ou RC de elo único introduzem um deslocamento de fase de até 90° (mas não exatamente 90° - seu deslocamento de fase tende a 90°, mas nunca o atinge) por elo, e como um deslocamento de fase de 180° é necessário para oscilação ocorra, então use pelo menos dois links no projeto do gerador (uma vez que o deslocamento de fase máximo tenderá a 180°, a adição necessária do deslocamento de fase ao valor exato de 180° será fornecida pelas capacitâncias e resistências de entrada do gerador). os elementos ativos). Um circuito LC possui dois pólos e pode introduzir um deslocamento de fase de 180° por pólo. Mas os geradores LC e LR não são considerados aqui, uma vez que as indutâncias de baixa frequência são caras, pesadas, volumosas e altamente imperfeitas. Os osciladores LC são utilizados em circuitos de alta frequência, fora da faixa de frequência dos amplificadores operacionais, onde o tamanho, peso e custo dos indutores são menos importantes.
A mudança de fase determina a frequência operacional da oscilação, uma vez que o circuito oscilará em qualquer frequência na qual uma mudança de fase de 180° se acumule. A sensibilidade de fase à frequência, dφ/dω, determina a estabilidade da frequência. Quando estágios RC com buffer (um buffer de amplificador operacional fornece alta impedância de entrada e baixa impedância de saída) são colocados em cascata, a mudança de fase é multiplicada pelo número de estágios, n (veja a Figura 2).
Arroz. 2. Mudança de fase por links RC.
Na região onde a mudança de fase é de 180°, a frequência de geração é muito sensível à mudança de fase. Assim, devido aos rigorosos requisitos de frequência, é necessário que o deslocamento de fase dφ varie dentro de uma faixa extremamente estreita, de modo que as alterações na frequência dφ sejam insignificantes em um deslocamento de fase de 180°. Na Figura 2 pode-se observar que embora dois enlaces RC conectados em série forneçam uma mudança de fase de quase 180°, o valor de dφ/dω na frequência de geração é inaceitavelmente pequeno. Conseqüentemente, um oscilador baseado em dois circuitos RC conectados em série terá baixa estabilidade de frequência. Três filtros RC idênticos em série têm uma relação dφ/dω muito mais alta (ver Figura 2), resultando em melhor estabilidade de frequência do oscilador. A adição de um quarto link RC cria um oscilador com excelente relação dφ/dω (ver Figura 2), fornecendo assim o circuito oscilador RC mais estável em frequência. Os circuitos RC de quatro barras contêm o número máximo de links usados porque há quatro amplificadores operacionais em um pacote de chip, e o gerador de quatro estágios produz quatro ondas senoidais, 45° defasadas entre si. O mesmo gerador pode ser usado para obter sinais seno/cosseno, bem como sinais de quadratura (ou seja, com uma diferença de 90°).
Os ressonadores de quartzo ou de cerâmica permitem criar osciladores muito mais estáveis, uma vez que os ressonadores têm uma relação dφ/dω muito mais elevada devido às suas propriedades não lineares. Os ressonadores são usados em circuitos de alta frequência; os ressonadores não são usados em circuitos de baixa frequência devido ao seu grande tamanho, peso e custo. Os amplificadores operacionais geralmente não são usados com ressonadores de cristal ou cerâmica porque os amplificadores operacionais têm largura de banda baixa. A experiência tem mostrado que, em vez de usar ressonadores de baixa frequência para baixas frequências, um método mais econômico é usar um oscilador de cristal de alta frequência, cuja frequência de saída deve ser dividida por n vezes a frequência operacional necessária e, em seguida, filtrar o sinal de saída.
O ganho do gerador deve ser igual à unidade (Aβ =1∠-180°) na frequência de operação. Em condições normais, o circuito torna-se estável quando o ganho excede a unidade e então a geração é interrompida. No entanto, se o ganho exceder a unidade e a mudança de fase for de -180°, então a não linearidade dos elementos ativos reduz o ganho à unidade e a geração continua. Esta não linearidade torna-se importante caso a tensão de saída do amplificador se aproxime de uma das tensões de alimentação, pois no modo de corte ou saturação o ganho dos elementos ativos (transistores) é reduzido. O paradoxo aqui é que, para a capacidade de fabricação, por precaução, é incluído um ganho que excede a unidade, embora o ganho excessivo leve a um aumento na distorção do sinal senoidal.
Quando o ganho é muito baixo, as condições pioram e as oscilações param, e quando o ganho é muito alto, a forma de onda de saída torna-se mais parecida com uma onda quadrada do que com uma onda senoidal. A distorção é resultado direto do aumento excessivo do ganho, sobrecarregando o amplificador; Portanto, o ganho deve ser controlado com muito cuidado em osciladores de baixa distorção. Osciladores baseados em circuitos de mudança de fase também apresentam distorção, mas são reduzidas na saída devido ao fato dos circuitos RC conectados em série atuarem como filtros RC, reduzindo a distorção. Além disso, os osciladores de mudança de fase com buffer têm baixa distorção porque o ganho é controlado e distribuído entre os buffers.
A maioria dos projetos requer um circuito auxiliar para ajustar o ganho se for desejado um sinal de baixa distorção. Os circuitos auxiliares podem usar componentes não lineares nos circuitos de realimentação para controle automático de ganho ou limitadores usando resistores e diodos. Também deve ser considerada a variação de ganho resultante de mudanças na temperatura e nas tolerâncias dos componentes, e o nível de complexidade do circuito é determinado com base na estabilidade de ganho necessária. Quanto mais estável for o ganho, mais limpa será a saída da onda senoidal.
Em todas as discussões anteriores foi assumido que o amplificador operacional tem uma largura de banda infinitamente grande e sua saída é independente da frequência. Na realidade, o amplificador operacional possui vários pólos na resposta de frequência, mas eles são compensados de tal forma que são dominados por um pólo em toda a banda passante. Assim, Aβ deve agora ser considerado dependente da frequência dependendo do ganho A do amplificador operacional. A equação (6) mostra essa dependência, aqui aé o ganho máximo do circuito de feedback, ω a é o pólo dominante na resposta de frequência e ω é a frequência do sinal. A Figura 3 mostra a frequência em função do ganho e da fase. O ganho com circuito de realimentação fechado A CL = 1/β não tem pólos nem valor zero, é constante à medida que a frequência aumenta até o ponto onde o ganho com circuito de realimentação aberto começa a atuar na frequência de ω 3dB. Aqui a amplitude do sinal é atenuada em 3 dB e a mudança de fase introduzida pelo amplificador operacional é de 45°. A amplitude e a fase começam a mudar uma década abaixo deste ponto, 0,1 x ω 3dB, e a fase continua a mudar até atingir um valor de 90° no ponto 10 ω 3dB, uma década abaixo do ponto 3 dB. O ganho continua a cair a uma taxa de -20 dB por década até atingir os outros pólos ou zero. Quanto maior o ganho em malha fechada, ACL, mais cedo ele começará a cair.
(6)
A mudança de fase introduzida pelo amplificador operacional afeta as características do circuito oscilador, reduzindo a frequência de oscilação, e também reduzindo A CL ACL pode levar a Aβ< 1, и генерация прекратится.
Arroz. 3. Resposta amplitude-frequência do amplificador operacional
A maioria dos amplificadores operacionais são compensados e podem ter uma mudança de fase superior a 45° a uma frequência de ω 3dB. Assim, o amplificador operacional deve ser selecionado com um ganho de largura de banda de pelo menos uma década acima da frequência de oscilação, conforme mostrado na área sombreada da Figura 3. Um oscilador ponte Wien requer um ganho de largura de banda superior a 43 ω OSC para atingir ambos. o ganho e a frequência foram mantidos dentro de 10% do valor ideal. A Figura 4 mostra características comparativas de distorção em diferentes frequências para os amplificadores operacionais LM328, TLV247x e TLC071, que possuem largura de banda de 0,4 MHz, 2,8 MHz e 10 MHz, que são usados no oscilador ponte Wien com feedback não linear (). A frequência de oscilação varia de 16 Hz a 160 kHz. O gráfico ilustra a importância de escolher um amplificador operacional adequado. O LM328 atinge uma frequência de oscilação máxima de 72 kHz com redução de ganho superior a 75%, e o TLV247x atinge 125 kHz com redução de ganho de 18%. A ampla largura de banda do TLC071 fornece frequência de oscilação de 138 kHz com redução de ganho de apenas 2%. O amplificador operacional deve ser selecionado com largura de banda adequada, caso contrário a frequência de oscilação será muito menor do que o necessário.
Arroz. 4. Gráfico de distorção/frequência para amplificadores operacionais com diferentes larguras de banda.
Deve-se ter cuidado ao usar resistores de grande valor no circuito de feedback porque eles interagem com a capacitância de entrada do amplificador operacional e criam pólos de feedback negativo, bem como pólos de feedback positivo e zeros. Resistores de valores maiores podem deslocar esses pólos e zeros para mais perto da frequência de geração e afetar a mudança de fase. Concluindo, prestemos atenção à limitação da taxa de variação do sinal do amplificador operacional. A taxa de variação do sinal deve ser maior que 2πV P f 0, onde VP é a tensão de pico e f 0 é a frequência de geração; caso contrário, o sinal de saída será distorcido.
Ao criar geradores de várias maneiras, o feedback positivo e negativo é combinado. A Figura 5a mostra o circuito amplificador básico com realimentação negativa e com realimentação positiva adicionada. Quando são usados circuitos de feedback positivo e negativo, seus ganhos são combinados em um ganho comum (reforço de circuito de feedback fechado). A Figura 5a é simplificada para a Figura 5b, o circuito de realimentação positiva é representado por β = β 2 e a análise subsequente é simplificada. Quando a realimentação negativa é usada, o ciclo de realimentação positiva é ignorado, pois β 2 é zero.
Arroz. 5. Diagrama de blocos do gerador.
Uma visão geral do amplificador operacional com feedback positivo e negativo é mostrada na Figura 6a. O primeiro passo da análise será interromper o loop em algum ponto, mas de forma que o ganho do circuito não mude. O sistema operacional positivo está quebrado no ponto marcado X. O sinal de teste V TEST é aplicado à malha aberta e a tensão de saída V OUT é medida usando o circuito equivalente mostrado na Figura 6b.
Arroz. 6. Amplificador com feedback positivo e negativo.
Primeiro, V+ é calculado usando a equação (7); V+ é então tratado como o sinal de entrada para o amplificador não inversor, resultando em V da equação (8). Substituindo V + da equação (7) na equação (8), obtemos a função de transferência na equação (9). Num circuito real, os elementos são substituídos para cada impedância e a equação é simplificada. Estas equações são válidas se o ganho em malha aberta for enorme e a frequência de geração for inferior a 0,1 ω 3dB.
(7)
(8)
(9)
Os osciladores de mudança de fase normalmente usam feedback negativo para que o fator de feedback positivo (β 2) se torne zero. Os circuitos osciladores de ponte de Wien usam feedback negativo (β 1) e positivo (β 2) para atingir o modo de oscilação. A equação (9) é usada para analisar este circuito em detalhes (ver seção 8.1).
Existem muitos tipos de circuitos geradores de sinais harmônicos e suas modificações; na implementação prática, a escolha depende da frequência e da monotonicidade desejada do sinal de saída. A atenção principal nesta parte será dada aos circuitos osciladores mais conhecidos: ponte de Wien, mudança de fase e quadratura. A função de transferência é derivada caso a caso usando os métodos descritos na Seção 6 deste artigo e nas Refs.
O oscilador ponte de Wien é um dos mais simples e famosos, sendo amplamente utilizado em circuitos de áudio. A Figura 7 mostra o circuito básico do gerador. A vantagem deste circuito é o pequeno número de peças utilizadas e a boa estabilidade de frequência. Sua principal desvantagem é que a amplitude do sinal de saída se aproxima do valor da tensão de alimentação, o que leva à saturação dos transistores de saída do amplificador operacional e, consequentemente, provoca distorção do sinal de saída. Dominar essas distorções é muito mais difícil do que gerar o circuito. Existem várias maneiras de minimizar esse efeito. Estes serão discutidos mais tarde; primeiro o circuito será analisado para obter a função de transferência.
Arroz. 7. Circuito gerador baseado em ponte de Wien.
O circuito oscilador da ponte de Wien tem a forma descrita em detalhes em , e a função de transferência para este circuito é derivada usando as construções ali descritas. É bastante óbvio que Z 1 = R G, Z 2 = RF, Z 3 = (R 1 + 1/sC 1) e Z 4 = (R 2 ||1/sC 2). O loop é interrompido entre a saída e Z 1, a tensão V TEST é aplicada a Z 1 e a partir daqui V OUT é calculado. A tensão de realimentação positiva V + é calculada primeiro, usando as equações (10..12). A equação (10) mostra um divisor de tensão simples na entrada não inversora. Cada termo é multiplicado por (R 2 C 2 s + 1) e dividido por R 2 , resultando na equação (11).
(10)
(11)
Substituindo s = jω 0 , onde jω 0 é a frequência de geração, jω 1 = 1/R1C2 e jω 2 = 1/R2C1, obtemos a equação (12).
(12)
Algumas relações interessantes tornam-se agora aparentes. O capacitor no zero, representado por ω 1, e o capacitor no pólo, representado por ω 2, devem introduzir, cada um, um deslocamento de fase de 90°, que é necessário para o laser na frequência ω 0. Isso requer que C1 = C2 e R1 = R2. Ao escolher ω 1 e ω 2 iguais a ω 0, todos os termos com frequências ω na equação serão cancelados, o que idealmente cancela qualquer mudança na amplitude com a frequência, uma vez que os pólos e zeros se cancelam. Isso resulta em um fator de feedback geral de β = 1/3 (Equação 13)
O ganho A da porção de realimentação negativa deve ser ajustado de forma que |Aβ| = 1, o que requer A = 3. Para que esta condição seja satisfeita, R F deve ser duas vezes maior que R G . O amplificador operacional da Figura 7 usa uma fonte de alimentação única, portanto é necessário usar a tensão de referência V REF para polarizar o componente DC do sinal de saída de modo que sua amplitude fique entre zero e a tensão de alimentação e a distorção sejam mínimas. A aplicação de V REF à entrada positiva do amplificador operacional através do resistor R 2 limita o fluxo de corrente contínua através do feedback negativo. A tensão V REF foi definida para 0,833 volts para compensar o nível do sinal de saída para metade da tensão de alimentação, resultando em uma amplitude de saída de +-2,5 volts do valor médio (ver link). Ao usar fonte de alimentação bipolar, V REF é aterrado.
O circuito final é mostrado na Figura 8, com os parâmetros dos componentes selecionados para a frequência de geração ω 0 = 2πf 0 , onde f 0 = 1/(2πRC) = 1,59 kHz. Na realidade, o circuito gera a 1,57 kHz, devido à variação dos componentes, e com fator de distorção de 2,8%. A frequência operacional mais alta é o resultado do corte do sinal de saída próximo ao sinal de mais e de menos da fonte de alimentação, resultando em vários harmônicos pares e ímpares poderosos. Neste caso, o resistor de feedback foi ajustado com uma precisão de +-1%. A Figura 9 mostra oscilogramas do sinal de saída. A distorção aumenta com o aumento da saturação, que aumenta com o aumento da resistência RF, e a geração para quando a resistência RF diminui apenas 0,8%.
Arroz. 8. Circuito final do gerador na ponte Wien.
Arroz. 9. Oscilogramas do sinal de saída: o efeito da RF na distorção.
O uso de feedback não linear pode minimizar a distorção inerente ao circuito oscilador básico da ponte de Wien. Um componente não linear, como uma lâmpada incandescente, pode ser substituído no lugar de um resistor R G no circuito, conforme mostrado na Figura 10. A resistência da lâmpada, R LAMP, é escolhida para ser igual à metade da resistência de realimentação, RF, com a corrente que flui através da lâmpada dependendo de RF e R LAMP. No momento em que a tensão de alimentação é aplicada ao circuito, a lâmpada ainda está fria e sua resistência é baixa, portanto o ganho será alto (mais de três). À medida que a corrente flui através do filamento, ele aquece e sua resistência aumenta, fazendo com que o ganho diminua. A relação não linear entre a corrente que flui através de uma lâmpada e sua resistência mantém pequena a mudança na tensão de saída - uma pequena mudança na tensão significa uma grande mudança na resistência. A Figura 11 mostra o sinal de saída deste gerador com distorção menor que 0,1% para f OSC = 1,57 kHz. A distorção com tais mudanças é significativamente reduzida em comparação com o circuito oscilador básico, uma vez que o estágio de saída do amplificador operacional evita saturação severa.
Arroz. 10. Gerador em ponte Wien com realimentação não linear.
Arroz. 11. Sinal de saída do circuito da Figura 10.
A resistência da lâmpada depende principalmente da temperatura. A amplitude de saída é muito sensível à temperatura e tende a variar. Portanto, o ganho deve ser maior que três para compensar eventuais variações de temperatura, o que leva ao aumento da distorção. Este tipo de circuito é útil quando a temperatura não muda muito ou quando usado em conjunto com um circuito limitador de amplitude.
A lâmpada tem uma constante de tempo térmica efetiva de baixa frequência, t térmica. À medida que a frequência de geração do OSC se aproxima de t térmica, a distorção do sinal de saída aumenta bastante. Para reduzir a distorção, você pode usar uma conexão em série de várias lâmpadas, o que aumentará o t térmico. As desvantagens deste método são que o tempo necessário para estabilizar as oscilações aumenta e a amplitude do sinal de saída diminui.
Um circuito de controle automático de ganho (AGC) deve ser usado se nenhum dos circuitos anteriores fornecer distorção suficientemente baixa. O diagrama de um gerador típico com AGC em uma ponte Wien é mostrado na Figura 12; A Figura 13 mostra as formas de onda deste circuito. O AGC é usado para estabilizar a amplitude do sinal senoidal de saída para um valor ideal. O transistor de efeito de campo é usado como elemento de controle do AGC, proporcionando excelente controle devido a uma ampla faixa de resistência dreno-fonte, que depende da tensão da porta. A tensão da porta do transistor é zero quando a tensão de alimentação é aplicada e, consequentemente, a resistência dreno-fonte (R DS) será baixa. Neste caso, as resistências R G2 +R S +R DS são conectadas em paralelo com R G1, o que aumenta o ganho para 3,05, e o circuito começa a gerar oscilações que aumentam gradativamente de amplitude. À medida que a tensão de saída aumenta, a meia onda negativa do sinal abre o diodo e o capacitor C1 começa a carregar, o que fornece uma tensão constante na porta do transistor Q1. O resistor R 1 limita a corrente e define a constante de tempo de carga do capacitor C 1 (que deve ser muito maior que o período de frequência f OSC). Quando o ganho atinge três, o sinal de saída se estabiliza. A distorção AGC é inferior a 0,2%.
O circuito na Figura 12 tem uma polarização V REF para alimentação de alimentação única. Um diodo zener pode ser conectado em série com o diodo para reduzir a amplitude do sinal de saída e reduzir a distorção. Você pode usar alimentação bipolar, para isso você precisa conectar todos os condutores que levam a V REF a um fio comum. Há uma grande variedade de circuitos osciladores baseados na ponte Wien com controle mais preciso do nível do sinal de saída, permitindo alternar gradualmente a frequência de geração ou regulá-la suavemente. Alguns circuitos usam limitadores de diodo instalados como componentes de realimentação não linear. Os diodos reduzem a distorção do sinal de saída limitando suavemente sua tensão.
Arroz. 12. Gerador na ponte Wien com AGC.
Arroz. 13. Sinal de saída do circuito da Figura 12.
Os osciladores de mudança de fase produzem menos distorção do que os osciladores de ponte de Wien e também possuem boa estabilidade de frequência. Tal oscilador pode ser construído com um único amplificador operacional, conforme mostrado na Figura 14. Três links RC são conectados em série para obter a inclinação dφ/dω acentuada necessária para uma frequência de oscilação estável, conforme descrito na Seção 3. Usando menos links RC resulta em uma alta frequência de oscilação limitada pela largura de banda do amplificador operacional.
Arroz. 14. Gerador baseado em mudança de fase com um amplificador operacional.
Arroz. 15. Sinal de saída do circuito da Figura 14.
Via de regra, assume-se que os circuitos desfasadores são independentes entre si, o que nos permite derivar a equação (14). A mudança de fase total do circuito de feedback é de –180°, enquanto a mudança de fase introduzida por cada link é de –60°. Isso ocorre em ω = 2πf = 1,732/RC (tan 60° = 1,732...). O valor de β neste ponto será igual a (1/2) 3, então o ganho, A, deve ser igual a 8 para que o ganho total seja igual a um.
(14)
A frequência de oscilação com as classificações dos componentes mostradas na Figura 14 é 3,767 kHz e a frequência projetada é 2,76 kHz. Além disso, o ganho necessário para gerar o laser é 27, enquanto o ganho calculado é 8. Essa discrepância se deve em parte à variação nos parâmetros dos componentes, mas o principal fator é a suposição incorreta de que os links RC não carregam uns aos outros. Este circuito era muito popular quando os componentes ativos eram grandes e caros. Mas agora os amplificadores operacionais são baratos, pequenos e contêm 4 amplificadores operacionais em um pacote, então o oscilador de mudança de fase em um único amplificador operacional está perdendo popularidade. A distorção do sinal de saída é de 0,46%, o que é significativamente menor do que em um circuito oscilador baseado em ponte Wien sem estabilização de amplitude.
O oscilador de mudança de fase com buffer é muito melhor que a versão sem buffer, mas custa mais componentes. As Figuras 16 e 17 mostram um oscilador com buffer baseado na mudança de fase e o sinal de saída de acordo. Os buffers evitam que os circuitos RC carreguem uns aos outros, de modo que os parâmetros de um oscilador de mudança de fase com buffer estão muito mais próximos dos valores calculados de frequência e ganho. O resistor R G, que define o ganho, carrega o terceiro link RC. Se você armazenar esse link em buffer usando o quarto amplificador operacional, os parâmetros do gerador se tornarão ideais. Uma onda senoidal de baixa distorção pode ser produzida por qualquer gerador de mudança de fase, mas a onda senoidal mais pura é obtida na saída da última seção RC do gerador. Esta é uma saída de alta impedância, portanto é necessária uma alta impedância de carga de entrada para evitar sobrecarga e, consequentemente, alterações na frequência de geração devido a variações nos parâmetros de carga.
A frequência de oscilação do circuito é de 2,9 kHz em comparação com a frequência ideal de projeto de 2,76 kHz, o ganho foi de 8,33, que está próximo do projeto de 8. A distorção foi de 1,2%, o que é significativamente maior do que o gerador de fase sem buffer Essas discrepâncias de parâmetros e fortes distorções surgem devido ao grande valor do resistor de feedback R F, que, junto com a capacitância de entrada do amplificador operacional C IN, cria um pólo próximo à frequência de 5 kHz. O resistor R G ainda está carregando o último link RC. Adicionar um buffer entre o último link RC e a saída V OUT reduzirá o ganho e a frequência de oscilação aos valores calculados.
Arroz. 16. Oscilador com buffer baseado em mudança de fase.
Arroz. 17. Sinal de saída do circuito da Figura 17.
O oscilador Bubba, mostrado na Figura 18, é outro oscilador de mudança de fase, mas este aproveita um amplificador operacional quádruplo para fornecer vantagens únicas. Os quatro links RC requerem uma mudança de fase de 45° em cada link, portanto este oscilador tem excelente d&phi/dt, resultando em desvio mínimo de frequência. Cada uma das seções RC introduz uma mudança de fase de 45°, portanto, ao remover o sinal de diferentes seções, você pode obter uma saída em quadratura de baixa impedância. Ao receber sinais das saídas de cada amplificador operacional, você pode obter quatro senoides com uma mudança de fase de 45°. A equação (15) descreve o ciclo de feedback. Com ω = 1/RCs, a equação 15 simplifica para as equações (16) e (17).
(15)
(16)
Arroz. 19. Sinal de saída do circuito da Figura 18.
Para que a geração ocorra, a amplificação A deve ser igual a 4. A frequência de oscilação do circuito de teste foi de 1,76 kHz, com valor de projeto de 1,72 kHz e, portanto, o ganho foi igual a 4,17 com valor de projeto de 4. A forma de onda de saída é mostrada na Figura 19. O a distorção é de 1,1% para V OUTSINE e 0,1% para V OUTCOSINE . Um sinal senoidal com distorção muito baixa pode ser obtido a partir do ponto de junção dos resistores R e R G . Quando um sinal de baixa distorção precisa ser obtido de todas as saídas, o ganho total deve ser distribuído entre todos os amplificadores operacionais. Uma tensão de polarização de 2,5 volts é aplicada à entrada não inversora do amplificador operacional amplificador para definir a tensão quiescente para metade da tensão de alimentação ao usar uma fonte unipolar; se uma fonte bipolar for usada, então a entrada não inversora deve ficar de castigo. Distribuir o ganho entre todos os amplificadores operacionais requer a aplicação de uma polarização a eles, mas isso não afeta de forma alguma a frequência de oscilação.
O oscilador de quadratura mostrado na Figura 20 é outro tipo de oscilador de mudança de fase, mas as três seções RC são configuradas de modo que cada seção introduza uma mudança de fase de 90°. Isso fornece saídas seno e cosseno (as saídas são quadratura, com diferença de fase de 90°), o que é uma clara vantagem sobre outros geradores baseados em mudanças de fase. A ideia de um gerador de quadratura é aproveitar o fato de que a dupla integração de uma onda senoidal resulta na inversão do sinal, ou seja, o sinal é deslocado de fase em 180°. A fase do segundo integrador é então invertida e usada como feedback positivo, o que resulta em oscilação.
O ganho da malha de feedback é calculado usando a equação (18). Com R1C1 = R2C2 =R3C3, a equação (18) simplifica-se para (19). Quando ω = 1/RC, a equação (18) simplifica para 1∠–180, de modo que o laser ocorre na frequência ω = 2πf = 1/RC. O circuito de teste oscila a uma frequência de 1,65 kHz, que é ligeiramente diferente da frequência projetada de 1,59 kHz, conforme mostrado na Figura 21. Essa discrepância se deve à variação dos componentes. Ambas as saídas possuem distorção relativamente alta, que pode ser reduzida usando AGC. A saída senoidal teve um fator de distorção de 0,846% e a saída cosseno teve um fator de distorção de 0,46%. Ajustar o ganho pode aumentar a amplitude do sinal de saída. A desvantagem de tal gerador é a largura de banda reduzida.
(18)
(19)
Arroz. 20. Circuito gerador de quadratura.
Arroz. 21. Sinal de saída do circuito da Figura 20.
Os osciladores de amplificador operacional são limitados na frequência de operação porque não possuem a largura de banda necessária para obter uma pequena mudança de fase em altas frequências. Os amplificadores operacionais de feedback de corrente mais recentes têm largura de banda muito maior, mas são muito difíceis de usar em circuitos osciladores porque são muito sensíveis às capacitâncias de feedback. Os amplificadores operacionais com feedback de tensão são limitados a uma faixa operacional de até centenas de kHz devido à sua baixa largura de banda. A largura de banda é reduzida quando os amplificadores operacionais são conectados em cascata devido à multiplicação das mudanças de fase.
O oscilador ponte Wien contém poucos componentes e possui boa estabilidade de frequência, mas o circuito básico possui alta distorção de saída. O uso do AGC reduz significativamente a distorção, especialmente na faixa de frequência mais baixa. O feedback não linear fornece o melhor desempenho na faixa de frequência média e alta. O oscilador de mudança de fase possui um alto nível de distorção e, sem buffer, os links requerem um alto ganho, o que limita sua faixa de frequência a uma frequência muito baixa. Os preços mais baixos para amplificadores operacionais e outros componentes reduziram a popularidade de tais osciladores. O gerador de quadratura necessita apenas de dois amplificadores operacionais para seu funcionamento, possui um nível aceitável de distorção não linear e sinais seno e cosseno podem ser obtidos de suas saídas. Sua desvantagem é a baixa amplitude do sinal de saída, que pode ser aumentada com o uso de um estágio de amplificação adicional, mas isso levará a uma redução significativa na largura de banda.
Ron Mancini, Richard Palmer
