Un oscillateur à déphasage est un circuit oscillateur conçu pour générer une sortie sinusoïdale. Il fonctionne avec un seul élément actif tel qu'un BJT ou un ampli opérationnel configuré en mode amplificateur inverseur.
L'agencement de circuit crée une rétroaction de la sortie vers l'entrée en utilisant un circuit RC (résistance / condensateur) disposé dans un réseau de type échelle. L'introduction de cette rétroaction provoque un «décalage» positif de la phase de la sortie de l'amplificateur de 180 degrés à la fréquence de l'oscillateur.
L'amplitude du déphasage créé par le réseau RC dépend de la fréquence. Des fréquences d'oscillateur plus élevées créent une plus grande quantité de déphasage.
Les explications détaillées suivantes nous aideront à apprendre le concept plus en détail.
Dans le post précédent nous avons appris les considérations critiques requises lors de la conception d'un oscillateur à décalage de phase basé sur un amplificateur opérationnel. Dans cet article, nous allons aller plus loin et en savoir plus sur le types d'oscillateurs à déphasage et comment calculer les paramètres impliqués au moyen de formules.
Circuit du pont de Vienne
Le schéma ci-dessous montre la configuration du circuit du pont de Wien.
Ici, nous pouvons interrompre la boucle à l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel et calculer le signal de retour en utilisant l'équation 2 suivante:
Lorsque ⍵ = 2πpf = 1 / RC , le feedback est en phase (feedback positif), ayant un gain de 1/3 .
Par conséquent, les oscillations nécessitent que le circuit opamp ait un gain de 3.
Lorsque R F = 2R g , le gain de l'amplificateur est de 3 et l'oscillation démarre à f = 1 / 2πRC.
Dans notre expérience, le circuit a oscillé à 1,65 kHz au lieu de 1,59 kHz en utilisant les valeurs de partie indiquées sur la figure 3, mais avec une distorsion apparente.
La figure suivante ci-dessous montre un circuit de pont de Vienne ayant rétroaction non linéaire .
On peut voir une lampe RL dont la résistance de filament est choisie très faible, environ 50% de la valeur de résistance de rétroaction de RF, puisque le courant de la lampe est défini par RF et RL.
La relation entre le courant de la lampe et la résistance de la lampe étant non linéaire, aide à maintenir les variations de tension de sortie au niveau minimum.
Vous pouvez également trouver de nombreux circuits incorporant une diode au lieu du concept d'élément de rétroaction non linéaire expliqué ci-dessus.
L'utilisation d'une diode permet de diminuer le niveau de distorsion en offrant un contrôle doux de la tension de sortie.
Cependant, si les méthodes ci-dessus ne vous sont pas favorables, vous devez opter pour les méthodes AGC, qui aident de la même manière à réduire la distorsion.
Un oscillateur à pont de Wien commun utilisant un circuit AGC est affiché dans la figure suivante.
Ici, il échantillonne l'onde sinusoïdale négative au moyen de D1, et l'échantillon est stocké à l'intérieur de C1.
R1 et R2 sont calculés de manière à centrer le biais sur Q1 pour s'assurer que (R g + R Q1 ) est égal à R F / 2 avec la tension de sortie attendue.
Si la tension de sortie a tendance à augmenter, la résistance de Q1 augmente, abaissant par conséquent le gain.
Dans le premier circuit d'oscillateur de pont de Wien, l'alimentation de 0,833 volts peut être vue appliquée sur la broche d'entrée opamp positive. Cela a été fait afin de centraliser la tension de repos de sortie à VCC / 2 = 2,5 V.
Oscillateur à déphasage (un opamp)
Un oscillateur à déphasage peut également être construit en utilisant un seul ampli-op comme indiqué ci-dessus.
La pensée conventionnelle est que dans les circuits à déphasage, les étages sont isolés et autonomes les uns des autres. Cela nous donne l'équation suivante:
Lorsque le déphasage de la section individuelle est de –60 °, le déphasage de la boucle est = –180 °. Cela arrive quand ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC puisque la tangente 60 ° = 1,73.
La valeur de β à ce moment se trouve être (1/2)3, ce qui signifie que le gain, A, doit être à un niveau de 8 pour que le gain du système soit à un niveau à 1.
Dans ce diagramme, la fréquence d'oscillation pour les valeurs de partie indiquées s'est avérée être de 3,76 kHz, et non selon la fréquence d'oscillation calculée de 2,76 kHz.
De plus, le gain nécessaire pour initier l'oscillation a été mesuré comme étant de 26 et non selon le gain calculé de 8.
Ces types d'inexactitudes sont dans une certaine mesure dus à des imperfections de composants.
Cependant, l'aspect affectant le plus significatif est dû aux mauvaises prédictions selon lesquelles les étapes RC ne se répercutent jamais.
Cette configuration de circuit opamp unique était autrefois assez connue à des moments où les composants actifs étaient volumineux et coûteux.
De nos jours, les amplificateurs opérationnels sont économiques et compacts et sont disponibles avec quatre numéros dans un seul boîtier, par conséquent, l'oscillateur à décalage de phase à amplificateur unique a finalement perdu sa reconnaissance.
Oscillateur à déphasage tamponné
Nous pouvons voir un oscillateur à déphasage tamponné dans la figure ci-dessus, pulsant à 2,9 kHz au lieu de la fréquence idéale attendue de 2,76 kHz, et avec un gain de 8,33 par opposition à un gain idéal de 8.
Les tampons empêchent les sections RC de s'affecter les unes les autres, et par conséquent les oscillateurs à déphasage tamponnés sont capables de fonctionner plus près de la fréquence et du gain calculés.
La résistance RG responsable du réglage du gain, charge la troisième section RC, permettant au 4ème ampli op dans un ampli quadruplé de servir de tampon pour cette section RC. Cela amène le niveau d'efficacité à atteindre une valeur idéale.
Nous pouvons extraire une onde sinusoïdale à faible distorsion de n'importe lequel des étages de l'oscillateur à déphasage, mais l'onde sinusoïdale la plus naturelle peut être dérivée de la sortie de la dernière section RC.
Il s'agit généralement d'une jonction à courant faible et à haute impédance, par conséquent, un circuit ayant un étage d'entrée à haute impédance doit être utilisé ici pour éviter les écarts de charge et de fréquence en réponse aux variations de charge.
Oscillateur en quadrature
L'oscillateur en quadrature est une autre version de l'oscillateur à déphasage, mais les trois étages RC sont assemblés de manière à ce que chaque section ajoute 90 ° de déphasage.
Les sorties sont appelées sinus et cosinus (quadrature) simplement parce qu'il existe un déphasage de 90 ° entre les sorties opamp. Le gain de la boucle est déterminé par l'équation 4.
Avec ⍵ = 1 / RC , L'équation 5 se simplifie en 1√ - 180 ° , conduisant à des oscillations à ⍵ = 2πpf = 1 / RC.
Le circuit expérimenté a pulsé à 1,65 kHz par opposition à la valeur calculée de 1,59 kHz, et la différence est principalement due aux variations de la valeur des pièces.
Oscillateur Bubba
L'oscillateur Bubba illustré ci-dessus est encore une autre variante de l'oscillateur à décalage de phase, mais il profite de l'avantage du package quad op-amp pour produire quelques caractéristiques distinctives.
Quatre sections RC nécessitent un déphasage de 45 ° pour chaque section, ce qui signifie que cet oscillateur est livré avec un dΦ / dt exceptionnel pour réduire les écarts de fréquence.
Chacune des sections RC génère un déphasage de 45 °. Cela signifie que parce que nous avons des sorties de sections alternatives, nous assurons des sorties en quadrature à faible impédance.
Chaque fois qu'une sortie est extraite de chaque amplificateur opérationnel, le circuit produit quatre ondes sinusoïdales déphasées de 45 °. L'équation de boucle peut être écrite comme suit:
Lorsque ⍵ = 1 / RC , les équations ci-dessus se réduisent aux équations 7 et 8 suivantes.
Le gain, A, doit atteindre la valeur de 4 pour déclencher une oscillation.
Le circuit d'analyse oscillait à 1,76 kHz par opposition à la fréquence idéale de 1,72 kHz tandis que le gain semblait être de 4,17 au lieu du gain idéal de 4.
En raison d'un gain réduit À et amplificateurs opérationnels à faible polarisation, la résistance RG chargée de fixer le gain ne charge pas la section RC finale. Cela garantit la sortie de fréquence d'oscillateur la plus précise.
Des ondes sinusoïdales à très faible distorsion pourraient être acquises à partir de la jonction de R et RG.
Chaque fois que des ondes sinusoïdales à faible distorsion sont nécessaires sur toutes les sorties, le gain doit en fait être réparti également entre tous les amplificateurs opérationnels.
L'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel de gain est polarisée à 0,5 V pour créer la tension de sortie de repos à 2,5 V.La distribution du gain nécessite la polarisation des autres amplificateurs opérationnels, mais elle n'a sûrement aucun impact sur la fréquence d'oscillation.
Conclusions
Dans la discussion ci-dessus, nous avons compris que les oscillateurs à déphasage de l'amplificateur opérationnel sont contraints à l'extrémité inférieure de la bande de fréquences.
Cela est dû au fait que les amplificateurs opérationnels n’ont pas la bande passante nécessaire pour mettre en œuvre un faible déphasage à des fréquences plus élevées.
L'application des amplificateurs opérationnels modernes à rétroaction de courant dans les circuits d'oscillateur semble difficile car ils sont très sensibles à la capacité de rétroaction.
Les amplificateurs opérationnels de retour de tension sont limités à quelques 100 kHz car ils créent un déphasage excessif.
L'oscillateur à pont de Wien fonctionne avec un petit nombre de pièces et sa stabilité en fréquence est très acceptable.
Mais, atténuer la distorsion dans un oscillateur à pont de Wien est moins facile que d'initier le processus d'oscillation lui-même.
L'oscillateur en quadrature fonctionne sûrement en utilisant quelques amplis opérationnels, mais il comprend une distorsion beaucoup plus élevée. Cependant, les oscillateurs à déphasage, comme l'oscillateur Bubba, présentent une distorsion beaucoup plus faible ainsi qu'une stabilité de fréquence décente.
Cela dit, la fonctionnalité améliorée de ce type d'oscillateurs à déphasage n'est pas bon marché en raison des coûts plus élevés des pièces impliquées dans les différents étages du circuit.
Sites Web connexes
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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