مذبذب تحول المرحلة - جسر فيينا ، المخزن ، التربيع ، بوبا

مذبذب تحول الطور عبارة عن دائرة مذبذب مصممة لتوليد خرج موجة جيبية. إنه يعمل مع عنصر نشط واحد مثل BJT أو op amp تم تكوينه في وضع مكبر الصوت العكسي.

ينشئ ترتيب الدائرة ردود فعل من الإخراج إلى المدخلات من خلال استخدام دائرة RC (المقاوم / المكثف) مرتبة في شبكة من نوع السلم. يؤدي إدخال هذه التغذية المرتدة إلى حدوث 'تحول' إيجابي في طور الإخراج من مكبر الصوت بمقدار 180 درجة عند تردد المذبذب.

يعتمد حجم انزياح الطور الناتج عن شبكة RC على التردد. تخلق ترددات المذبذب الأعلى قدرًا أكبر من إزاحة الطور.

ستساعدنا التفسيرات الشاملة التالية على تعلم المفهوم بمزيد من التفاصيل.

في ال المنشور السابق لقد تعلمنا عن الاعتبارات الحرجة المطلوبة أثناء تصميم مذبذب تحول طور قائم على المرجع أمبير. في هذا المنشور ، سنأخذ الأمر إلى الأمام ونعرف المزيد عن أنواع مذبذبات تحول الطور وكيفية حساب المعلمات المتضمنة من خلال الصيغ.

دائرة جسر فيينا

يوضح الرسم البياني أدناه إعداد دائرة Wien-bridge.

هنا ، يمكننا كسر الحلقة عند الإدخال الإيجابي لل opamp وحساب إشارة العودة باستخدام المعادلة التالية 2:

متي ⍵ = 2πpf = 1 / RC ، ردود الفعل في مرحلة (ردود فعل إيجابية) ، والحصول على مكاسب 1/3 .

لذلك ، تحتاج التذبذبات إلى أن تحصل دائرة opamp على ربح قدره 3.

عندما R F = 2R جي ، كسب مكبر الصوت هو 3 ويبدأ التذبذب عند f = 1 / 2πRC.

في تجربتنا ، تذبذبت الدائرة عند 1.65 كيلو هرتز بدلاً من 1.59 كيلو هرتز باستخدام قيم الجزء المشار إليها في الشكل 3 ، ولكن مع تشويه واضح.

يوضح الشكل التالي أدناه وجود دائرة جسر فيينا ردود الفعل غير الخطية .

يمكننا أن نرى المصباح RL الذي تم اختيار مقاومة فتيله منخفضة جدًا ، حوالي 50٪ من قيمة مقاومة التغذية الراجعة للترددات اللاسلكية ، حيث يتم تحديد تيار المصباح بواسطة RF و RL.

تساعد العلاقة بين تيار المصباح ومقاومة المصباح كونها غير خطية على الحفاظ على تغيرات جهد الخرج عند أدنى مستوى.

قد تجد أيضًا العديد من الدوائر التي تتضمن الصمام الثنائي بدلاً من مفهوم عنصر التغذية المرتدة غير الخطية الموضح أعلاه.

يساعد استخدام الصمام الثنائي على تقليل مستوى التشويه من خلال توفير تحكم لطيف في جهد الخرج.

ومع ذلك ، إذا لم تكن الطرق المذكورة أعلاه مواتية لك ، فيجب عليك البحث عن طرق AGC ، والتي تساعد أيضًا في تقليل التشوه.

يظهر في الشكل التالي مذبذب Wien-bridge شائع يستخدم دائرة AGC.

هنا ، يقوم بتجربة الموجة الجيبية السلبية عن طريق D1 ، ويتم تخزين العينة داخل C1.

يتم حساب R1 و R2 بحيث تركز التحيز على Q1 للتأكد من أن (R جي + ر س 1 ) يساوي R F / 2 بجهد الخرج المتوقع.

إذا كان جهد الخرج يميل إلى الارتفاع ، فإن مقاومة Q1 ترتفع ، وبالتالي تخفض الكسب.

في أول دائرة مذبذب لجسر Wien ، يمكن رؤية التيار الكهربائي بجهد 0.833 فولت مطبقًا على دبوس إدخال opamp الموجب. تم القيام بذلك من أجل جعل جهد الخرج هادئًا عند VCC / 2 = 2.5 فولت.

مذبذب تغيير الطور (opamp واحد)

يمكن أيضًا إنشاء مذبذب تحول الطور باستخدام opamp واحد فقط كما هو موضح أعلاه.

التفكير التقليدي هو أنه في دوائر التحول الطوري ، تكون المراحل معزولة وذاتية الحكم لبعضها البعض. هذا يعطينا المعادلة التالية:

عندما يكون التحول الطور للقسم الفردي -60 درجة ، يكون إزاحة طور الحلقة = -180 درجة. يحدث هذا عندما ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC منذ الظل 60 درجة = 1.73.

قيمة β في هذه اللحظة هي (1/2)³، مما يعني أن الكسب ، A ، يجب أن يكون بمستوى 8 لكي يكون كسب النظام بمستوى عند 1.

في هذا الرسم البياني ، وجد أن تردد التذبذب لقيم الجزء المشار إليه هو 3.76 كيلو هرتز ، وليس وفقًا لتردد التذبذب المحسوب البالغ 2.76 كيلو هرتز.

علاوة على ذلك ، تم قياس الكسب الضروري لبدء التذبذب ليكون 26 وليس حسب الكسب المحسوب البالغ 8.

ترجع هذه الأنواع من عدم الدقة إلى حد ما إلى عيوب في المكونات.

ومع ذلك ، فإن أهم جانب مؤثر يرجع إلى التنبؤات الخاطئة بأن مراحل RC لا تؤثر أبدًا على بعضها البعض.

اعتاد إعداد دائرة opamp الفردية هذا أن يكون معروفًا تمامًا في الأوقات التي كانت فيها المكونات النشطة ضخمة وذات سعر مرتفع.

في الوقت الحاضر ، تعتبر أجهزة op-Amps اقتصادية ومضغوطة ومتاحة بأربعة أرقام داخل حزمة واحدة ، وبالتالي فقد مذبذب مرحلة التحول الطوري opamp التعرف عليه في النهاية.

مذبذب إزاحة الطور المخزن

يمكننا أن نرى مذبذبًا مؤقتًا لتغيير الطور في الشكل أعلاه ، ينبض عند 2.9 كيلو هرتز بدلاً من التردد المثالي المتوقع عند 2.76 كيلو هرتز ، وبكسب 8.33 بدلاً من كسب مثالي 8.

تمنع المخازن المؤقتة أقسام RC من التأثير على بعضها البعض ، وبالتالي فإن مذبذبات إزاحة الطور المخزنة قادرة على العمل بالقرب من التردد والكسب المحسوبين.

يقوم المقاوم RG المسؤول عن إعداد الكسب بتحميل قسم RC الثالث ، مما يسمح لـ opamp الرابع في رباعي opamp بالعمل كمخزن مؤقت لقسم RC هذا. يؤدي هذا إلى وصول مستوى الكفاءة إلى قيمة مثالية.

يمكننا استخراج موجة جيبية منخفضة التشوه من أي من مراحل مذبذب إزاحة الطور ، ولكن يمكن اشتقاق أكثر موجة جيبية طبيعية من إخراج قسم RC الأخير.

عادة ما يكون هذا تقاطع تيار منخفض عالي المقاومة ، لذلك يجب استخدام دائرة ذات مرحلة إدخال عالية المقاومة هنا لتجنب انحرافات التحميل والتردد استجابة لتغيرات الحمل.

مذبذب التربيع

المذبذب التربيعي هو نسخة أخرى من مذبذب إزاحة الطور ، ومع ذلك يتم تجميع المراحل الثلاث RC بطريقة تضيف كل قسم 90 درجة من إزاحة الطور.

يتم تسمية المخرجات بالجيب وجيب التمام (التربيع) لمجرد وجود تحول طور 90 درجة بين مخرجات opamp. يتم تحديد كسب الحلقة من خلال المعادلة 4.

مع ⍵ = 1 / RC ، يبسط المعادلة 5 إلى 1√ - 180 درجة ، مما يؤدي إلى تذبذبات في ⍵ = 2πpf = 1 / RC.

نبضة الدائرة المجربة عند 1.65 كيلو هرتز مقابل القيمة المحسوبة البالغة 1.59 كيلو هرتز ، ويعزى الاختلاف بشكل أساسي إلى تغيرات قيمة الجزء.

مذبذب بوبا

مذبذب Bubba الموضح أعلاه هو نوع آخر من مذبذب تغيير الطور ، ولكنه يتمتع بالفائدة من حزمة op-amp الرباعية لإنتاج بعض الميزات المميزة.

أربعة أقسام RC تستدعي تحول طور 45 درجة لكل قسم ، مما يعني أن هذا المذبذب يأتي مع dΦ / dt متميز لتقليل انحرافات التردد.

كل قسم من أقسام RC يولد تحول طور 45 درجة. بمعنى ، لأن لدينا مخرجات من أقسام بديلة تضمن مخرجات تربيعية منخفضة المقاومة.

عندما يتم استخراج ناتج من كل opamp ، تنتج الدائرة أربع موجات جيبية بزاوية 45 درجة. يمكن كتابة معادلة الحلقة على النحو التالي:

متي ⍵ = 1 / RCs ، تتقلص المعادلات أعلاه إلى المعادلتين التاليتين 7 و 8.

يجب أن يصل الكسب ، A ، إلى القيمة 4 لبدء التذبذب.

تذبذبت دائرة التحليل عند 1.76 كيلو هرتز على عكس التردد المثالي 1.72 كيلو هرتز بينما بدا الكسب 4.17 بدلاً من الكسب المثالي البالغ 4.

بسبب انخفاض الكسب إلى ومنخفضة التحيز التشغيلي الحالي ، لا يقوم المقاوم RG المسؤول عن إصلاح الكسب بتحميل قسم RC النهائي. هذا يضمن خرج تردد المذبذب الأكثر دقة.

يمكن الحصول على موجات جيبية منخفضة التشوه للغاية من تقاطع R و RG.

عندما تكون هناك حاجة إلى موجات جيبية منخفضة التشوه عبر جميع النواتج ، يجب في الواقع توزيع الكسب بالتساوي بين جميع opamps.

يتم تحيز المدخلات غير المقلوبة لكسب op-amp عند 0.5 فولت لإنشاء جهد إخراج هادئ عند 2.5 فولت.يتطلب توزيع الكسب تحيز opamps الأخرى ، ولكنه بالتأكيد ليس له أي تأثير على تردد التذبذب.

الاستنتاجات

في المناقشة أعلاه ، فهمنا أن مذبذبات تحول طور Op amp مقيدة بالطرف السفلي من نطاق التردد.

ويرجع ذلك إلى حقيقة أن مضخمات التشغيل ليس لديها النطاق الترددي الأساسي لتنفيذ تحول طور منخفض عند ترددات أعلى.

يبدو تطبيق المكبرات التشغيلية الحديثة للتغذية المرتدة الحالية في دوائر المذبذب صعبًا نظرًا لأنها حساسة جدًا لسعة التغذية المرتدة.

تقتصر عمليات التغذية المرتدة للجهد على بضع 100 كيلوهرتز فقط لأنها تبني تحول طور مفرط.

يعمل مذبذب Wien-bridge باستخدام عدد صغير من الأجزاء ، كما أن استقرار تردده مقبول جدًا.

لكن تخفيف التشوه في مذبذب جسر فيينا أقل سهولة من بدء عملية التذبذب نفسها.

من المؤكد أن مذبذب التربيع يعمل باستخدام زوج من المكبرات الصوتية ، لكنه يتضمن تشويهًا أعلى بكثير. ومع ذلك ، فإن مذبذبات تحول الطور ، مثل مذبذب بوبا ، تظهر تشوهًا أقل بكثير مع بعض استقرار التردد اللائق.

بعد قولي هذا ، فإن الوظيفة المحسّنة لهذا النوع من مذبذبات تغيير الطور لا تأتي بثمن بخس نظرًا لارتفاع تكاليف الأجزاء المعنية عبر المراحل المختلفة للدائرة.

مواقع الويب ذات الصلة
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