Un oscilador de cambio de fase es un circuito oscilador diseñado para generar una salida de onda sinusoidal. Funciona con un solo elemento activo como un BJT o un amplificador operacional configurado en modo amplificador inversor.
La disposición del circuito crea una retroalimentación desde la salida a la entrada mediante el uso de un circuito RC (resistor / capacitor) dispuesto en una red tipo escalera. La introducción de esta retroalimentación provoca un 'cambio' positivo en la fase de la salida del amplificador de 180 grados en la frecuencia del oscilador.
La magnitud del desplazamiento de fase creado por la red RC depende de la frecuencia. Las frecuencias de oscilador más altas crean una mayor cantidad de cambio de fase.
Las siguientes explicaciones completas nos ayudarán a conocer el concepto con mayor detalle.
En el Publicación anterior aprendimos sobre las consideraciones críticas requeridas al diseñar un oscilador de cambio de fase basado en amplificador operacional. En este post lo llevaremos más adelante y conoceremos más sobre el tipos de osciladores de cambio de fase y cómo calcular los parámetros involucrados mediante fórmulas.
Circuito del puente de Viena
El diagrama que se muestra a continuación muestra la configuración del circuito del puente de Viena.
Aquí, podemos romper el ciclo en la entrada positiva del opamp y calcular la señal de retorno usando la siguiente Ecuación 2:
Cuando ⍵ = 2πpf = 1 / RC , la retroalimentación está en fase (retroalimentación positiva), teniendo una ganancia de 1/3 .
Por lo tanto, las oscilaciones necesitan que el circuito opamp tenga una ganancia de 3.
Cuando R F = 2R GRAMO , la ganancia del amplificador es 3 y la oscilación se inicia en f = 1 / 2πRC.
En nuestro experimento, el circuito osciló a 1,65 kHz en lugar de 1,59 kHz utilizando los valores de las partes indicadas en la Figura 3, pero con una distorsión aparente.
La siguiente figura muestra un circuito de puente de Viena que tiene retroalimentación no lineal .
Podemos ver una lámpara RL cuya resistencia de filamento se selecciona muy baja, alrededor del 50% del valor de resistencia de retroalimentación de RF, ya que la corriente de la lámpara está definida por RF y RL.
La relación entre la corriente de la lámpara y la resistencia de la lámpara, al no ser lineal, ayuda a mantener las variaciones de voltaje de salida al nivel mínimo.
También puede encontrar muchos circuitos que incorporan diodos en lugar del concepto de elemento de retroalimentación no lineal explicado anteriormente.
El uso de un diodo ayuda a disminuir el nivel de distorsión al ofrecer un control suave del voltaje de salida.
Sin embargo, si los métodos anteriores no son favorables para usted, debe optar por los métodos AGC, que de manera idéntica ayudan a obtener una distorsión reducida.
En la siguiente figura se muestra un oscilador de puente de Viena común que utiliza un circuito AGC.
Aquí, toma muestras de la onda sinusoidal negativa por medio de D1, y la muestra se almacena dentro de C1.
R1 y R2 se calculan de manera que centre el sesgo en Q1 para garantizar que (R GRAMO + R Q1 ) es igual a R F / 2 con la tensión de salida esperada.
Si la tensión de salida tiende a aumentar, la resistencia de Q1 aumenta, lo que reduce la ganancia.
En el primer circuito oscilador de puente de Wien, se puede ver el suministro de 0.833 voltios aplicado en el pin de entrada positivo del amplificador operacional. Esto se hizo para centralizar el voltaje en reposo de salida en VCC / 2 = 2.5 V.
Oscilador de cambio de fase (un amplificador operacional)
También se puede construir un oscilador de cambio de fase usando un solo amplificador operacional como se muestra arriba.
El pensamiento convencional es que en los circuitos de cambio de fase las etapas están aisladas y se autogobiernan entre sí. Esto nos da la siguiente ecuación:
Cuando el cambio de fase de la sección individual es –60 °, el cambio de fase del bucle es = –180 °. Esto sucede cuando ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC ya que la tangente 60 ° = 1,73.
El valor de β en este momento resulta ser (1/2)3, lo que significa que la ganancia, A, tiene que estar en un nivel de 8 para que la ganancia del sistema esté en un nivel de 1.
En este diagrama, se encontró que la frecuencia de oscilación para los valores de parte indicados era de 3,76 kHz, y no según la frecuencia de oscilación calculada de 2,76 kHz.
Además, se midió que la ganancia necesaria para iniciar la oscilación era 26 y no según la ganancia calculada de 8.
Este tipo de inexactitudes se deben, en cierta medida, a las imperfecciones de los componentes.
Sin embargo, el aspecto que afecta más significativo se debe a las predicciones erróneas de que las etapas RC nunca se impactan entre sí.
Esta configuración de circuito de amplificador único solía ser bastante conocida en momentos en que los componentes activos eran voluminosos y costosos.
Hoy en día, los amplificadores operacionales son económicos y compactos y están disponibles con cuatro números dentro de un solo paquete, por lo tanto, el oscilador de cambio de fase opamp único finalmente ha perdido su reconocimiento.
Oscilador de cambio de fase con búfer
Podemos ver un oscilador de cambio de fase con búfer en la figura anterior, pulsando a 2.9 kHz en lugar de la frecuencia ideal esperada de 2.76 kHz, y con una ganancia de 8.33 en contraposición a una ganancia ideal de 8.
Los búferes prohíben que las secciones RC se afecten entre sí y, por lo tanto, los osciladores de desplazamiento de fase con búfer pueden operar más cerca de la frecuencia y ganancia calculadas.
El resistor RG responsable de la configuración de ganancia, carga la tercera sección RC, permitiendo que el cuarto amplificador operacional en un amplificador cuádruple actúe como un búfer para esta sección RC. Esto hace que el nivel de eficiencia alcance un valor ideal.
Podemos extraer una onda sinusoidal de baja distorsión de cualquiera de las etapas del oscilador de cambio de fase, pero la onda sinusoidal más natural se puede derivar de la salida de la última sección RC.
Esta suele ser una unión de alta impedancia y baja corriente, por lo tanto, aquí se debe utilizar un circuito que tenga una etapa de entrada de alta impedancia para evitar la carga y las desviaciones de frecuencia en respuesta a las variaciones de carga.
Oscilador de cuadratura
El oscilador de cuadratura es otra versión del oscilador de cambio de fase, sin embargo, las tres etapas RC están juntas de manera que cada sección suma 90 ° de cambio de fase.
Las salidas se denominan seno y coseno (cuadratura) simplemente porque existe un cambio de fase de 90 ° entre las salidas opamp. La ganancia del lazo se determina mediante la Ecuación 4.
Con ⍵ = 1 / RC , La ecuación 5 se simplifica a 1√–180° , dando lugar a oscilaciones en ⍵ = 2πpf = 1 / RC.
El circuito experimentado pulsó a 1,65 kHz en comparación con el valor calculado de 1,59 kHz, y la diferencia se debe principalmente a variaciones del valor parcial.
Oscilador de bubba
El oscilador Bubba que se muestra arriba es otra variante del oscilador de cambio de fase, pero disfruta del beneficio del paquete de amplificador operacional cuádruple para producir algunas características distintivas.
Cuatro secciones RC requieren un cambio de fase de 45 ° para cada sección, lo que significa que este oscilador viene con un dΦ / dt excepcional para reducir las desviaciones de frecuencia.
Cada una de las secciones RC genera un desplazamiento de fase de 45 °. Es decir, porque tenemos salidas de secciones alternativas asegura salidas en cuadratura de baja impedancia.
Siempre que se extrae una salida de cada amplificador operacional, el circuito produce cuatro ondas sinusoidales con desplazamiento de fase de 45 °. La ecuación de bucle se puede escribir como:
Cuando ⍵ = 1 / RC , las ecuaciones anteriores se reducen a las siguientes ecuaciones 7 y 8.
La ganancia, A, debe alcanzar el valor de 4 para iniciar una oscilación.
El circuito de análisis osciló a 1,76 kHz en oposición a la frecuencia ideal de 1,72 kHz, mientras que la ganancia parecía ser 4,17 en lugar de la ganancia ideal de 4.
Debido a una ganancia reducida A y amplificadores operacionales de corriente de baja polarización, la resistencia RG responsable de fijar la ganancia no carga la sección RC final. Esto garantiza la salida de frecuencia del oscilador más precisa.
Se pueden adquirir ondas sinusoidales de distorsión extremadamente baja a partir de la unión de R y RG.
Siempre que se necesiten ondas sinusoidales de baja distorsión en todas las salidas, la ganancia debería distribuirse por igual entre todos los amplificadores operacionales.
La entrada no inversora del amplificador operacional de ganancia está polarizada a 0.5 V para crear el voltaje de salida en reposo a 2.5 V.La distribución de ganancia requiere polarización de los otros amplificadores operacionales, pero seguramente no tiene ningún impacto en la frecuencia de oscilación.
Conclusiones
En la discusión anterior, entendimos que los osciladores de cambio de fase del amplificador operacional están restringidos al extremo inferior de la banda de frecuencia.
Esto se debe al hecho de que los amplificadores operacionales no tienen el ancho de banda esencial para implementar un cambio de fase bajo en frecuencias más altas.
La aplicación de amplificadores operacionales de retroalimentación de corriente modernos en circuitos de oscilador parece difícil ya que son muy sensibles a la capacitancia de retroalimentación.
Los amplificadores operacionales de retroalimentación de voltaje están restringidos a unos pocos 100 kHz ya que acumulan un cambio de fase excesivo.
El oscilador de puente de Viena funciona con una pequeña cantidad de piezas y su estabilidad de frecuencia es muy aceptable.
Pero, atenuar la distorsión en un oscilador de puente de Viena es menos fácil que iniciar el proceso de oscilación en sí.
El oscilador de cuadratura seguramente funciona con un par de amplificadores operacionales, pero incluye una distorsión mucho mayor. Sin embargo, los osciladores de cambio de fase, como el oscilador Bubba, presentan una distorsión mucho menor junto con una estabilidad de frecuencia decente.
Dicho esto, la funcionalidad mejorada de este tipo de osciladores de cambio de fase no es barata debido a los mayores costos de las partes involucradas en las diversas etapas del circuito.
Sitios web 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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