المذبذبات أمبير

بناء مذبذب باستخدام المرجع أمبير كعنصر نشط يسمى op amp مذبذب.

في هذا المنشور نتعلم كيفية تصميم المذبذبات القائمة على opamp ، وفيما يتعلق بالعديد من العوامل الحاسمة المطلوبة لإنشاء تصميم مذبذب مستقر.

تُستخدم المذبذبات القائمة على أمبير المرجع عادةً لتوليد أشكال موجية دقيقة ودورية مثل المربع ، وسن المنشار ، والمثلث ، والجيبي.

بشكل عام ، تعمل باستخدام جهاز نشط واحد ، أو مصباح ، أو بلورة ، وترتبط ببعض الأجهزة السلبية مثل المقاومات والمكثفات والمحاثات ، لتوليد الإخراج.

فئات المذبذب Op-amp

سوف تجد مجموعتين أساسيتين من المذبذبات: الاسترخاء والجيوب الأنفية.

تنتج مذبذبات الاسترخاء الأشكال الموجية المثلثية ، المسننة وغيرها من الأشكال الموجية غير الشاذة.

تشتمل المذبذبات الجيبية على مضخمات تشغيل باستخدام أجزاء إضافية معتادة على إنشاء تذبذب ، أو بلورات تحتوي على مولدات تذبذب مدمجة.

تُستخدم مذبذبات الموجة الجيبية كمصادر أو أشكال موجية اختبار في العديد من تطبيقات الدارات.

يتميز المذبذب الجيبي النقي بتردد فردي أو أساسي فقط: من الناحية المثالية بدون أي توافقات.

نتيجة لذلك ، يمكن أن تكون الموجة الجيبية هي المدخلات لدائرة ، باستخدام التوافقيات المحسوبة للإخراج لإصلاح مستوى التشويه.

يتم إنتاج أشكال الموجات في مذبذبات الاسترخاء من خلال موجات جيبية يتم تجميعها لتقديم الشكل المحدد.

تساعد المذبذبات في إنتاج نبضات متسقة تُستخدم كمرجع في تطبيقات مثل الصوت ومولدات الوظائف والأنظمة الرقمية وأنظمة الاتصالات.

مذبذبات الموجة الجيبية

تشتمل المذبذبات الجيبية على مضخمات تشغيل باستخدام دوائر RC أو LC التي تحتوي على ترددات تذبذب قابلة للتعديل ، أو بلورات لها تردد تذبذب محدد مسبقًا.

يتم تحديد تردد وسعة التذبذب من خلال اختيار الأجزاء السلبية والفعالة الموصولة مع المرجع المركزي.

المذبذبات القائمة على Op-amp عبارة عن دوائر تم إنشاؤها لتكون غير مستقرة. ليس النوع الذي يتم تطويره أو تصميمه في المختبر في بعض الأحيان بشكل غير متوقع ، بل الأنواع التي يتم إنشاؤها عمداً لتظل في حالة غير مستقرة أو متذبذبة.

ترتبط مذبذبات Op-amp بالنهاية السفلية لنطاق التردد نظرًا لأن opamps تفتقر إلى النطاق الترددي اللازم لتنفيذ إنزياح الطور المنخفض عند الترددات العالية.

تقتصر opamps التغذية المرتدة للجهد على نطاق منخفض كيلو هرتز نظرًا لأن قطبها الرئيسي مفتوح الحلقة غالبًا ما يكون صغيرًا مثل 10 هرتز.

تم تصميم opamps الحالية ذات التغذية المرتدة بنطاق ترددي أوسع بشكل كبير ، ولكن من الصعب جدًا تنفيذها في دوائر المذبذب لأنها حساسة لسعة التغذية المرتدة.

يوصى باستخدام المذبذبات البلورية في التطبيقات عالية التردد في نطاق مئات الميجاهرتز.

متطلبات أساسية

في النوع الأساسي ، يسمى أيضًا النوع الأساسي ، يتم استخدام طريقة التغذية الراجعة السلبية.

يصبح هذا شرطًا أساسيًا لبدء التذبذب كما هو موضح في الشكل 1. هنا نرى مخطط الكتلة لمثل هذه الطريقة حيث يتم إصلاح VIN كجهد دخل.

يشير Vout إلى الإخراج من الكتلة A.

تشير otes إلى الإشارة ، وتسمى أيضًا عامل التغذية المرتدة ، والتي يتم توفيرها مرة أخرى إلى وصلة التجميع.

يشير E إلى عنصر الخطأ المكافئ لمجموع عامل التغذية المرتدة وجهد الإدخال.

يمكن رؤية المعادلات الناتجة لدائرة مذبذب أدناه. المعادلة الأولى هي المعادلة المهمة التي تحدد جهد الخرج. تعطي المعادلة 2 عامل الخطأ.

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

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

يعطي إزالة عامل الخطأ E من المعادلات أعلاه

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

استخراج العناصر في Vout يعطي

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

توفر لنا إعادة تنظيم المصطلحات في المعادلة أعلاه صيغة التغذية الراجعة الكلاسيكية التالية من خلال المعادلة رقم 5

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

المذبذبات قادرة على العمل دون مساعدة من إشارة خارجية. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام جزء من نبضة الإخراج كمدخل من خلال شبكة الدعم.

يبدأ التذبذب عندما تفشل التغذية الراجعة في تحقيق حالة مستقرة مستقرة. يحدث هذا بسبب عدم تنفيذ إجراء النقل.

يحدث عدم الاستقرار هذا عندما يصبح مقام المعادلة رقم 5 صفرًا ، كما هو موضح أدناه:

1 + Aβ = 0 أو Aβ = -1.

الشيء المهم أثناء تصميم دائرة مذبذب هو ضمان Aβ = -1. هذه الحالة تسمى معيار باركهاوزن .

للوفاء بهذا الشرط ، يصبح من الضروري أن تظل قيمة كسب الحلقة في الوحدة من خلال تحول طور مقابل 180 درجة. يتم فهم ذلك من خلال الإشارة السالبة في المعادلة.

يمكن التعبير عن النتائج المذكورة أعلاه بشكل بديل كما هو موضح أدناه باستخدام رموز من الجبر المعقد:

أβ = 1 -180 درجة

أثناء تصميم مذبذب ردود الفعل الإيجابية ، يمكن كتابة المعادلة أعلاه على النحو التالي:

أβ = 1 ㄥ 0 درجة مما يجعل المصطلح Aβ في المعادلة رقم 5 سلبيًا.

عندما Aβ = -1 يميل خرج التغذية المرتدة إلى التحرك نحو جهد غير محدود.

عندما يقترب هذا من الحد الأقصى + أو - مستويات العرض ، يتغير مستوى الكسب للأجهزة النشطة في الدوائر.

يؤدي هذا إلى جعل قيمة A تصبح Aβ ≠ -1 ، مما يؤدي إلى إبطاء نهج التغذية الراجعة اللانهائية للجهد ، مما يؤدي في النهاية إلى توقفه.

هنا ، قد نجد أحد الاحتمالات الثلاثة التي تحدث:

1. التشبع غير الخطي أو القطع يتسبب في استقرار وقفل المذبذب.
2. تجبر الشحنة الأولية النظام على التشبع لفترة طويلة جدًا قبل أن يصبح خطيًا مرة أخرى ويبدأ في الاقتراب من سكة الإمداد المقابلة.
3. يستمر النظام في المنطقة الخطية ، ويعود نحو سكة الإمداد المعاكسة.

في حالة الاحتمال الثاني ، نحصل على تذبذبات مشوهة للغاية ، بشكل عام في شكل موجات شبه مربعة.

ما هو تحول المرحلة في المذبذبات

يتم إنشاء تحول الطور 180 درجة في المعادلة Aβ = 1 -180 درجة من خلال المكونات النشطة والسلبية.

تمامًا مثل أي دائرة تغذية مرتدة مصممة بشكل صحيح ، يتم إنشاء المذبذبات بناءً على تحول الطور للمكونات السلبية.

هذا لأن النتائج من الأجزاء السلبية دقيقة وخالية من الانحراف عمليًا. غالبًا ما يكون تحول الطور المكتسب من المكونات النشطة غير دقيق بسبب العديد من العوامل.

قد ينجرف مع تغيرات درجة الحرارة ، وقد يُظهر تفاوتًا أوليًا واسعًا ، ويمكن أن تعتمد النتائج أيضًا على خصائص الجهاز.

يتم اختيار مضخمات التشغيل من أجل ضمان أنها تحقق الحد الأدنى من إزاحة الطور لتردد التذبذب.

تجلب دائرة RL أحادية القطب (مغو مقاوم) أو دائرة RC (المقاوم-caapcitor) حوالي 90 درجة من إزاحة الطور لكل قطب.

نظرًا لأن 180 درجة ضرورية للتذبذب ، يتم استخدام قطبين على الأقل أثناء تصميم مذبذب.

تمتلك دائرة LC قطبين ، لذلك فهي توفر تحول طور 180 درجة لكل زوج قطب.

ومع ذلك ، فإننا لن نناقش التصميمات القائمة على LC هنا نظرًا لاحتوائها على مجموعة من المحاثات منخفضة التردد التي يمكن أن تكون باهظة الثمن وضخمة وغير مرغوب فيها.

مذبذبات LC مخصصة للتطبيقات عالية التردد ، والتي قد تكون أعلى من نطاق تردد opamps بناءً على مبدأ التغذية الراجعة للجهد.

هنا قد تجد أن حجم المحرِّض ووزنه وتكلفته ليست ذات أهمية كبيرة.

يؤكد تحول الطور على وتيرة التذبذب منذ أن نبضات الدائرة على التردد الذي يجلب تحولًا في الطور بمقدار 180 درجة. يقرر df / dt أو المعدل الذي يتغير به إزاحة الطور مع التردد ثبات التردد.

عندما يتم استخدام أقسام RC المخزنة المتتالية في شكل opamps ، مما يوفر مقاومة عالية للإنتاج ومقاومة منخفضة ، يتضاعف إزاحة الطور بعدد الأقسام ، ن (انظر الشكل أدناه).

على الرغم من حقيقة أن قسمين متتاليين من RC يقدمان تحولًا في الطور بمقدار 180 درجة ، فقد تجد أن d minimal / dt أقل عند تردد المذبذب.

نتيجة لذلك ، يتم إنشاء المذبذبات باستخدام قسمين متتاليين من RC غير كاف تردد الاستقرار.

توفر ثلاثة أقسام متماثلة لفلتر RC متتالية زيادة dФ / dt ، مما يتيح للمذبذب ثبات تردد محسن.

ومع ذلك ، فإن إدخال قسم رابع RC ينشئ مذبذبًا بامتداد أمتياز دФ / دينارا.

ومن ثم يصبح هذا إعداد مذبذب مستقر للغاية.

يحدث أن تكون أربعة أقسام هي النطاق المفضل بشكل أساسي لأن opamps متوفرة في حزم رباعية.

أيضًا ، ينتج المذبذب المكون من أربعة أقسام 4 موجات جيبية يتم إزاحة طورها 45 درجة مع الإشارة إلى بعضها البعض ، مما يعني أن هذا المذبذب يتيح لك الحصول على موجات جيبية / جيب تمام أو تربيعية.

استخدام البلورات والرنانات الخزفية

توفر لنا الرنانات الكريستالية أو الخزفية أكثر المذبذبات استقرارًا. هذا لأن الرنانات تأتي مع dФ / dt عالي بشكل لا يصدق نتيجة لخصائصها غير الخطية.

يتم تطبيق الرنانات في المذبذبات عالية التردد ، ومع ذلك ، لا تعمل المذبذبات منخفضة التردد عادةً مع الرنانات بسبب قيود الحجم والوزن والتكلفة.

سوف تجد أن op-amp لا يتم استخدامها مع مذبذبات مرنان السيراميك لأن opamps تتضمن نطاقًا تردديًا منخفضًا.

تشير الدراسات إلى أنه من الأقل تكلفة إنشاء مذبذب بلوري عالي التردد وتقليص الخرج للحصول على تردد منخفض بدلاً من دمج مرنان منخفض التردد.

كسب في المذبذبات

يجب أن يتطابق كسب المذبذب واحد على تردد التذبذب. يصبح التصميم ثابتًا بمجرد أن يكون الكسب أكبر من 1 وتتوقف التذبذبات.

بمجرد أن يصل الكسب إلى أكثر من 1 مع تحول طور قدره -180 درجة ، فإن الخاصية غير الخطية للجهاز النشط (opamp) تسقط الكسب إلى 1.

عندما يحدث عدم الخطية ، يتأرجح opamp بالقرب من مستويات العرض (+/-) بسبب انخفاض قطع أو تشبع الجهاز النشط (الترانزستور).

الشيء الغريب هو أن الدوائر سيئة التصميم تتطلب في الواقع مكاسب هامشية تزيد عن 1 أثناء إنتاجها.

من ناحية أخرى ، يؤدي الكسب الأعلى إلى قدر أكبر من التشويه للموجة الجيبية الناتجة.

في الحالات التي يكون فيها الكسب ضئيلًا ، تتوقف التذبذبات في ظل الظروف غير المواتية القصوى.

عندما يكون الكسب مرتفعًا جدًا ، يبدو أن شكل الموجة الناتج يشبه إلى حد كبير موجة مربعة بدلاً من موجة جيبية.

عادة ما يكون التشويه نتيجة فورية لكسب الكثير من قيادة مكبر الصوت.

لذلك ، يجب التحكم في الكسب بحذر لتحقيق مذبذبات منخفضة التشوه.

يمكن أن تظهر مذبذبات تحول الطور تشوهات ، ومع ذلك قد يكون لديهم القدرة على تحقيق جهد إخراج منخفض التشوه باستخدام أقسام RC المتتالية المخزنة.

وذلك لأن أقسام RC المتتالية تتصرف كمرشحات تشويه. علاوة على ذلك ، تواجه مذبذبات إزاحة الطور المؤقتة تشويشًا منخفضًا نظرًا لإدارة الكسب وتوازنه بشكل موحد بين المخازن المؤقتة.

خاتمة

من المناقشة أعلاه تعلمنا مبدأ العمل الأساسي لمذبذبات opamp وفهمنا فيما يتعلق بالمعايير الأساسية لتحقيق التذبذبات المستمرة. في التدوينة التالية سنتعرف عليها مذبذبات جسر فيينا .