Oscillateurs d'amplis opérationnels

Un oscillateur construit en utilisant un ampli opérationnel comme élément actif est appelé un oscillateur d'ampli opérationnel.

Dans cet article, nous apprenons à concevoir des oscillateurs basés sur un amplificateur opérationnel et à prendre en compte les nombreux facteurs critiques nécessaires pour générer une conception d'oscillateur stable.

Les oscillateurs basés sur un ampli opérationnel sont normalement utilisés pour générer des formes d'ondes précises et périodiques telles que les formes carrées, en dents de scie, triangulaires et sinusoïdales.

Généralement, ils fonctionnent à l'aide d'un seul dispositif actif, ou d'une lampe, ou d'un cristal, et associés par quelques dispositifs passifs tels que des résistances, des condensateurs et des inductances, pour générer la sortie.

Catégories d'oscillateurs ampli-op

Vous trouverez quelques groupes primaires d'oscillateurs: relaxation et sinusoïdal.

Les oscillateurs de relaxation produisent les formes d'onde triangulaires, en dents de scie et autres non sinuoïdales.

Les oscillateurs sinusoïdaux intègrent des amplificateurs opérationnels utilisant des pièces supplémentaires habituées à créer une oscillation, ou des cristaux qui ont des générateurs d'oscillation intégrés.

Les oscillateurs sinusoïdaux sont utilisés comme sources ou comme formes d'onde de test dans de nombreuses applications de circuits.

Un oscillateur sinusoïdal pur comporte uniquement une fréquence individuelle ou de base: idéalement sans aucune harmonique.

En conséquence, une onde sinusoïdale pourrait être l'entrée d'un circuit, en utilisant des harmoniques de sortie calculées pour fixer le niveau de distorsion.

Les formes d'onde dans les oscillateurs de relaxation sont produites par des ondes sinusoïdales qui sont additionnées pour fournir la forme stipulée.

Les oscillateurs sont utiles pour produire des impulsions cohérentes qui sont utilisées comme référence dans des applications telles que l'audio, les générateurs de fonctions, les systèmes numériques et les systèmes de communication.

Oscillateurs sinusoïdaux

Les oscillateurs sinusoïdaux comprennent des amplificateurs opérationnels utilisant des circuits RC ou LC qui contiennent des fréquences d'oscillation réglables, ou des cristaux qui possèdent une fréquence d'oscillation prédéterminée.

La fréquence et l'amplitude de l'oscillation sont établies par la sélection de parties passives et actives reliées à l'ampli-op central.

Les oscillateurs basés sur un ampli opérationnel sont des circuits créés pour être instables. Pas le type qui est parfois développé ou conçu de manière inattendue en laboratoire, mais plutôt des types qui sont délibérément construits pour continuer à être dans un état instable ou oscillatoire.

Les oscillateurs ampli-op sont liés à l'extrémité inférieure de la plage de fréquences en raison du fait que les amplificateurs opérationnels ne disposent pas de la bande passante nécessaire pour mettre en œuvre le déphasage faible aux hautes fréquences.

Les amplificateurs opérationnels à rétroaction de tension sont limités à une plage de kHz basse car leur pôle principal en boucle ouverte est souvent aussi petit que 10 Hz.

Les amplificateurs opérationnels modernes à rétroaction de courant sont conçus avec une bande passante nettement plus large, mais ils sont incroyablement difficiles à mettre en œuvre dans les circuits d'oscillateur car ils sont sensibles à la capacité de rétroaction.

Les oscillateurs à cristal sont recommandés dans les applications haute fréquence dans la gamme de centaines de MHz.

Exigences de base

Dans le type le plus basique, également appelé type canonique, une méthode de rétroaction négative est utilisée.

Cela devient la condition préalable pour initier l'oscillation comme le montre la figure 1. Ici, nous voyons le schéma fonctionnel d'un tel procédé dans lequel VIN est fixé comme tension d'entrée.

Vout signifie la sortie du bloc A.

β désigne le signal, également appelé facteur de rétroaction, qui est renvoyé à la jonction de sommation.

E signifie l'élément d'erreur équivalent à la somme du facteur de rétroaction et de la tension d'entrée.

Les équations résultantes pour un circuit oscillateur peuvent être vues ci-dessous. La première équation est la plus importante qui définit la tension de sortie. L'équation 2 donne le facteur d'erreur.

Vout = E x A ------------------------------(1)

E = Vin + βVout --------------------------(deux)

L'élimination du facteur d'erreur E des équations ci-dessus donne

Vout / A = Vin - βVout ----------------- (3)

Extraire les éléments dans Vout donne

Vin = Vout (1/A + β) --------------------- (4)

La réorganisation des termes dans l'équation ci-dessus nous fournit la formule de rétroaction classique suivante via l'équation # 5

Vout / Vin = A / (1+Aβ) ---------------- (5)

Les oscillateurs peuvent fonctionner sans l'aide d'un signal externe. Au contraire, une partie de l'impulsion de sortie est utilisée comme entrée via un réseau de rétroaction.

Une oscillation est déclenchée lorsque la rétroaction ne parvient pas à atteindre un état stable stable. Cela se produit parce que l'action de transfert ne se réalise pas.

Cette instabilité se produit lorsque le dénominateur de l'équation n ° 5 devient zéro, comme indiqué ci-dessous:

1 + Aβ = 0, ou Aβ = -1.

La chose cruciale lors de la conception d'un circuit oscillateur est de garantir Aβ = -1. Cette condition est appelée le Critère de Barkhausen .

Pour satisfaire cette condition, il devient essentiel que la valeur de gain de boucle reste à l'unité par un déphasage correspondant de 180 degrés. Ceci est compris par le signe négatif dans l'équation.

Les résultats ci-dessus peuvent être exprimés alternativement comme indiqué ci-dessous en utilisant des symboles de l'algèbre complexe:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Lors de la conception d'un oscillateur à rétroaction positive, l'équation ci-dessus peut être écrite comme suit:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° ce qui rend le terme Aβ dans l'équation # 5 négatif.

Lorsque Aβ = -1, la sortie de rétroaction a tendance à se déplacer vers une tension infinie.

Lorsque cela s'approche des niveaux d'alimentation maximum + ou -, le niveau de gain des dispositifs actifs dans les circuits change.

Cela fait que la valeur de A devient Aβ ≠ -1, ralentissant l'approche de tension infinie de rétroaction, la mettant finalement à l'arrêt.

Ici, nous pouvons trouver l'une des trois possibilités:

1. Saturation ou coupure non linéaire entraînant la stabilisation et le verrouillage de l'oscillateur.
2. La charge initiale forçant le système à saturer pendant une période beaucoup plus longue avant qu'il ne redevienne linéaire et ne commence à s'approcher du rail d'alimentation opposé.
3. Le système continue à être dans la région linéaire et revient vers le rail d'alimentation opposé.

Dans le cas de la deuxième possibilité, on obtient des oscillations immensément déformées, généralement sous la forme d'ondes quasi carrées.

Qu'est-ce que le déphasage dans les oscillateurs

Le déphasage de 180 ° dans l'équation Aβ = 1 ㄥ -180 ° est créé par les composants actifs et passifs.

Comme tout circuit de rétroaction correctement conçu, les oscillateurs sont construits sur la base du déphasage des composants passifs.

En effet, les résultats des pièces passives sont précis et pratiquement sans dérive. Le déphasage acquis à partir des composants actifs est généralement imprécis en raison de nombreux facteurs.

Il peut dériver avec les changements de température, présenter une large tolérance initiale et les résultats peuvent également dépendre des caractéristiques de l'appareil.

Les amplificateurs opérationnels sont choisis afin de garantir qu'ils entraînent un déphasage minimum vers la fréquence de l'oscillation.

Un circuit unipolaire RL (résistance-inductance) ou RC (résistance-caapcitor) provoque un déphasage d'environ 90 ° par pôle.

Étant donné que 180 ° est nécessaire pour l'oscillation, un minimum de deux pôles est utilisé lors de la conception d'un oscillateur.

Un circuit LC possède donc 2 pôles, il fournit donc un déphasage d'environ 180 ° pour chaque paire de pôles.

Cependant, nous ne discuterons pas ici des conceptions basées sur LC en raison de l'implication d'inducteurs basse fréquence qui peuvent être coûteux, encombrants et indésirables.

Les oscillateurs LC sont destinés aux applications haute fréquence, qui peuvent être au-delà de la plage de fréquences des amplificateurs opérationnels basés sur le principe de retour de tension.

Ici, vous pouvez trouver que la taille, le poids et le coût de l'inducteur n'ont pas beaucoup d'importance.

Le décalage de phase détermine la fréquence d'oscillation puisque le circuit impulsions à la fréquence qui récupère un déphasage de 180 degrés. Le df / dt ou la vitesse à laquelle le déphasage change avec la fréquence, décide de la stabilité de fréquence.

Lorsque des sections RC tamponnées en cascade sont utilisées sous la forme d'amplificateurs opérationnels, offrant une impédance d'entrée élevée et de sortie faible, le déphasage se multiplie par le nombre de sections, n (voir la figure ci-dessous).

Malgré le fait que deux sections RC en cascade présentent un déphasage de 180 °, vous pouvez trouver que dФ / dt est minimal à la fréquence de l'oscillateur.

En conséquence, les oscillateurs construits à l'aide de deux sections RC en cascade offrent inadéquat Stabilité de fréquence.

Trois sections de filtre RC en cascade identiques fournissent un dФ / dt accru, permettant à l'oscillateur une stabilité de fréquence améliorée.

Cependant, l'introduction d'une quatrième section RC crée un oscillateur avec un exceptionnel dФ / dt.

Cela devient donc une configuration d'oscillateur extrêmement stable.

Quatre sections se trouvent être la gamme préférée principalement parce que les opamps sont disponibles dans des packages quad.

De plus, l'oscillateur à quatre sections produit 4 ondes sinusoïdales déphasées de 45 ° les unes par rapport aux autres, ce qui signifie que cet oscillateur vous permet de saisir des ondes sinusoïdales / cosinusoïdales ou en quadrature.

Utilisation de cristaux et de résonateurs en céramique

Les résonateurs en cristal ou en céramique nous fournissent les oscillateurs les plus stables. En effet, les résonateurs ont un dФ / dt incroyablement élevé en raison de leurs propriétés non linéaires.

Les résonateurs sont appliqués dans les oscillateurs haute fréquence, cependant, les oscillateurs basse fréquence ne fonctionnent généralement pas avec les résonateurs en raison de contraintes de taille, de poids et de coût.

Vous constaterez que les amplificateurs opérationnels ne sont pas utilisés avec les oscillateurs à résonateur en céramique, principalement parce que les amplificateurs opérationnels incluent une bande passante réduite.

Des études montrent qu'il est moins coûteux de construire un oscillateur à cristal haute fréquence et de réduire la sortie pour acquérir une basse fréquence au lieu d'incorporer un résonateur basse fréquence.

Gain en oscillateurs

Le gain d'un oscillateur doit correspondre une à la fréquence d'oscillation. La conception devient stable une fois que le gain est supérieur à 1 et que les oscillations s'arrêtent.

Dès que le gain atteint plus de 1 avec un déphasage de –180 °, la propriété non linéaire du dispositif actif (opamp) fait chuter le gain à 1.

En cas de non-linéarité, l'ampli-op oscille près des niveaux d'alimentation (+/-) en raison de la réduction de la coupure ou de la saturation du gain du dispositif actif (transistor).

Une chose étrange est que les circuits mal conçus exigent en fait des gains marginaux supérieurs à 1 pendant leur production.

D'un autre côté, un gain plus élevé conduit à une plus grande quantité de distorsion pour l'onde sinusoïdale de sortie.

Dans les cas où le gain est minime, les oscillations cessent dans des circonstances extrêmement défavorables.

Lorsque le gain est très élevé, la forme d'onde de sortie semble être beaucoup plus similaire à une onde carrée qu'à une onde sinusoïdale.

La distorsion est généralement une conséquence immédiate d'une surcharge de gain excessive de l'amplificateur.

Par conséquent, le gain doit être régi avec prudence pour obtenir des oscillateurs à faible distorsion.

Les oscillateurs à décalage de phase peuvent présenter des distorsions, mais ils peuvent avoir la capacité d'atteindre des tensions de sortie à faible distorsion en utilisant des sections RC en cascade tamponnées.

Cela est dû au fait que les sections RC en cascade se comportent comme des filtres de distorsion. De plus, les oscillateurs à déphasage tamponnés subissent une faible distorsion puisque le gain est géré et uniformément équilibré entre les tampons.

Conclusion

De la discussion ci-dessus, nous avons appris le principe de fonctionnement de base des oscillateurs opamp et compris les critères fondamentaux pour obtenir des oscillations soutenues. Dans le prochain article, nous en apprendrons davantage sur Oscillateurs à pont de Vienne .