מבנה מתנד המשתמש במגבר אופ כאלמנט הפעיל נקרא מתנד מגבר אופ.
בפוסט זה אנו לומדים כיצד לעצב מתנדים מבוססי אופמפ, ולגבי הגורמים הקריטיים הרבים הנדרשים ליצירת עיצוב מתנד יציב.
מתנדים מבוססי מגבר אופ משמשים בדרך כלל ליצירת צורות גל מדויקות ומחזוריות כמו ריבוע, מנסר, משולש וסינוסי.
בדרך כלל הם פועלים באמצעות מכשיר פעיל יחיד, או מנורה, או גביש, ומקושרים על ידי כמה מכשירים פסיביים כמו נגדים, קבלים ומשרנים, כדי ליצור את הפלט.
קטגוריות מתנד אופ-מגבר
תוכלו למצוא כמה קבוצות עיקריות של מתנדים: הרפיה וסינוס.
מתנדי הרפיה מייצרים את צורות הגל המשולשות, המנסרות ואחרות הלא רציפות.
מתנדים סינוסואידים משלבים מגברי אופ באמצעות חלקים נוספים שרגילים ליצור תנודה, או גבישים שיש בהם מחוללי תנודה מובנים.
מתנדים של גלי סינוס משמשים כמקורות או כצורות גל בודקות ביישומי מעגל רבים.
מתנד סינוסואיד טהור כולל תדר בודד או בסיסי: באופן אידיאלי ללא כל הרמוניות.
כתוצאה מכך, גל סינוסי יכול להיות הקלט למעגל, תוך שימוש בהרמוניות פלט מחושבות כדי לתקן את רמת העיוות.
צורות הגל בתנודות הרפיה מיוצרות באמצעות גלים סינוסואידים המתמצתים בכדי לספק את הצורה שנקבעה.
מתנדים מועילים לייצור דחפים עקביים המשמשים כנקודת התייחסות ביישומים כמו אודיו, מחוללי פונקציות, מערכות דיגיטליות ומערכות תקשורת.
מתנדים של גל סינוס
מתנדים סינוסואידלים כוללים מגברי אופ באמצעות מעגלי RC או LC המכילים תדרי תנודה מתכווננים, או גבישים בעלי תדר תנודה קבוע מראש.
תדירות ומשרעת התנודה נקבעים על ידי בחירה של חלקים פסיביים ופעילים המחוברים למגבר ה- OP המרכזי.
מתנדים מבוססי-מגבר הם מעגלים שנוצרו כדי להיות לא יציבים. לא הסוג שלעתים מפותח או תוכנן באופן בלתי צפוי במעבדה, אלא סוגים שנבנו בכוונה להמשיך ולהיות במצב לא יציב או תנודתי.
מתנדים למגבר אופ-קשור קשורים לקצה התחתון של טווח התדרים בגלל העובדה ש- Opamps חסרים את רוחב הפס הדרוש ליישום העברת פאזה נמוכה בתדרים גבוהים.
אורות מתח משוב מוגבלים לטווח נמוך של קילו-הרץ מאחר והקוטב העיקרי שלהם עם לולאה פתוחה הוא לעתים קרובות קטן כמו 10 הרץ.
אופמות המשוב הנוכחי המודרניות מעוצבות עם רוחב פס רחב משמעותית, אך אלה קשה מאוד ליישום במעגלי מתנד מכיוון שהן רגישות לקיבולת משוב.
מתנדים קריסטל מומלצים ביישומים בתדירות גבוהה בטווח של מאות טווח MHz.
דרישות בסיסיות
בסוג הבסיסי ביותר, המכונה גם הסוג הקנוני, משתמשים בשיטת משוב שלילי.
זה הופך להיות התנאי להקמת התנודה כפי שמוצג באיור 1. כאן אנו רואים את דיאגרמת הגוש לשיטה כזו בה VIN קבוע כמתח הכניסה.
Vout מסמל את הפלט מגוש A.
β מציין את האות, הנקרא גם גורם המשוב, שמועבר בחזרה לצומת הסיכום.
E מסמל את אלמנט השגיאה השווה לסכום גורם המשוב ומתח הקלט.
את המשוואות המתקבלות למעגל מתנד ניתן לראות להלן. המשוואה הראשונה היא החשובה המגדירה את מתח המוצא. משוואה 2 נותנת את גורם השגיאה.
Vout = E x A. ------------------------------ (1)
E = Vin + βVout --------------------------(שתיים)
ביטול גורם השגיאה E מהמשוואות לעיל נותן
Vout / A = Vin - βVout ----------------- (3)
חילוץ האלמנטים ב- Vout נותן
Vin = Vout (1 / A + β) --------------------- (4)
ארגון מחדש של המונחים במשוואה לעיל מספק לנו את נוסחת המשוב הקלאסית הבאה באמצעות משוואה מספר 5
Vout / Vin = A / (1 + Aβ) ---------------- (5)
מתנדים מסוגלים לעבוד ללא עזרה של אות חיצוני. במקום זאת, חלק מדופק הפלט מנוצל כקלט דרך רשת פידבק.
תנודה מתחילה כאשר המשוב אינו מצליח להשיג מצב יציב יציב. זה קורה מכיוון שפעולת ההעברה אינה מתממשת.
חוסר יציבות זה מתרחש כאשר המכנה של משוואה מספר 5 הופך לאפס, כמוצג להלן:
1 + Aβ = 0, או Aβ = -1.
הדבר המכריע בעת תכנון מעגל מתנד הוא להבטיח Aβ = -1. מצב זה נקרא קריטריון ברקהאוזן .
כדי לספק תנאי זה, זה הופך להיות חיוני שערך רווח הלולאה יישאר באחדות באמצעות מעבר פאזה תואם של 180 מעלות. זה מובן על ידי הסימן השלילי במשוואה.
התוצאות שלעיל יכולות לבוא לידי ביטוי כפי שמוצג להלן באמצעות סמלים מאלגברה מורכבת:
Aβ = 1 ㄥ -180 °
בזמן תכנון מתנד משוב חיובי ניתן לכתוב את המשוואה הנ'ל:
Aβ = 1 ㄥ 0 ° מה שהופך את המונח Aβ במשוואה מספר 5 לשלילי.
כאשר Aβ = -1 פלט המשוב נוטה לנוע לעבר מתח אינסופי.
כאשר זה מתקרב לרמות האספקה המרבי + או -, ההתקנים הפעילים ברמת הרווח במעגלים משתנים.
זה גורם לערך A להיות Aβ ≠ -1, להאט את גישת המתח האינסופית של המשוב, ובסופו של דבר להפסיק אותו.
כאן אנו עשויים למצוא אחת משלוש האפשרויות שקורות:
- רוויה או ניתוק לא לינארית הגורם למתנד להתייצב ולנעל.
- המטען הראשוני שמאלץ את המערכת להרוויה לתקופה ארוכה הרבה יותר לפני שהיא שוב הופכת ליניארית ומתחילה להתקרב למסילת האספקה הנגדית.
- המערכת ממשיכה להיות באזור הליניארי, וחוזרת לעבר מסילת האספקה הנגדית.
במקרה של האפשרות השנייה, אנו מקבלים תנודות מעוותות מאוד, בדרך כלל בצורה של גלים מרובעים כמעט.
הסטת פאזה של 180 ° במשוואה Aβ = 1 ㄥ -180 ° נוצרת באמצעות הרכיבים הפעילים והפסיביים.
בדיוק כמו כל מעגל משוב שתוכנן כראוי, מתנדים בנויים על בסיס הסטת פאזה של הרכיבים הפסיביים.
הסיבה לכך היא שהתוצאות מחלקים פסיביים מדויקות וללא סחף כמעט. מעבר הפאזה שנרכש ממרכיבים פעילים אינו מדויק ברובו בשל גורמים רבים.
זה עלול להיסחף עם שינויי טמפרטורה, עשוי להראות סובלנות ראשונית רחבה, וגם התוצאות יכולות להיות תלויות במאפיין המכשיר.
מגברי אופ נבחרים על מנת להבטיח שהם מביאים לשינוי פאזה מינימלי לתדירות התנודה.
מעגל RL מוט (בודד-משרן) בודד או מעגל RC (מעגל-נגד-קבלים) מביא לשינוי פאזה של כ- 90 מעלות לכל מוט.
מאחר ש 180 ° נחוצה לתנודה, מועסקים מינימום שני קטבים בעת תכנון מתנד.
במעגל LC יש שני קטבים ולכן הוא מספק מעבר של 180 ° פאזה לכל זוג מוט.
עם זאת לא נדון כאן בעיצובים מבוססי LC עקב מעורבותם של משרנים בתדרים נמוכים שיכולים להיות יקרים, מגושמים ובלתי רצויים.
מתנדים של LC מיועדים ליישומים בתדרים גבוהים, שעשויים להיות מעבר לטווח התדרים של המנורות המבוססות על עקרון משוב המתח.
כאן ייתכן שתגלה כי גודל המשרן, המשקל והעלות אינם חשובים במיוחד.
העברת פאזה קובעת את תדירות התנודה מכיוון שהמעגל פועם בתדר שמביא לשינוי פאזה של 180 התדרדרות. ה- df / dt או הקצב שבו משתנה הפאזה עם תדר, קובע את יציבות התדרים.
כאשר נעשה שימוש בקטעי RC שנאגרו במפלס בצורת אופמים, המציעים עכבה תפוקה גבוהה ופלט נמוך, משמרת הפאזה מכפילה במספר החלקים, נ (ראה איור למטה).
למרות העובדה ששני קטעי RC מדורגים מציגים מעבר פאזה של 180 מעלות, ייתכן שתגלה ש dФ / dt יהיה מינימלי בתדר המתנד.
כתוצאה מכך מציעים מתנדים שנבנו באמצעות שני קטעי RC מדורגים לָקוּי יציבות תדרים.
שלושה קטעי מסנן RC מדורגים זהים מספקים dФ / dt מוגבר, מה שמאפשר למתנד יציבות תדרים משופרת.
עם זאת, הצגת קטע RC רביעי יוצרת מתנד עם יוצא מן הכלל dФ / dt.
מכאן שהדבר הופך להתקנת מתנד יציבה ביותר.
ארבעה קטעים הם במקרה הטווח המועדף בעיקר מכיוון ש- opamps זמינים בחבילות מרובעות.
כמו כן, המתנד בעל ארבעת החלקים מייצר 4 גלי סינוס המוסטים 45 ° בהתייחס זה לזה, כלומר מתנד זה מאפשר לך להשיג גלי סינוס / קוסינוס או ריבוע.
שימוש בקריסטלים ומהוד קרמי
מהוד קריסטל או קרמיקה מספקים לנו את המתנדים היציבים ביותר. הסיבה לכך היא שמהדהדים מגיעים עם dФ / dt גבוה להפליא כתוצאה מהתכונות הלא לינאריות שלהם.
מהודים מיושמים במתנדים בתדירות גבוהה, אולם מתנדים בתדרים נמוכים בדרך כלל אינם עובדים עם מהודים בשל מגבלות גודל, משקל ועלויות.
תגלה כי מגברי אופ אינם מנוצלים עם מתנדים תהודה קרמיים בעיקר מכיוון ש- Opamps כוללים רוחב פס מופחת.
מחקרים מראים כי פחות יקר לבנות מתנד קריסטל בתדר גבוה ולחתוך את הפלט כדי לרכוש תדר נמוך במקום לשלב מהוד בתדר נמוך.
רווח במתנדים
הרווח של מתנד חייב להתאים אחד בתדר התנודה. העיצוב מתייצב ברגע שהרווח גדול מ -1 והתנודות נעצרות.
ברגע שהעלייה מגיעה ליותר מ -1 יחד עם מעבר פאזה של -180 °, המאפיין הלא ליניארי של המכשיר הפעיל (opamp) מוריד את הרווח ל- 1.
כאשר חוסר ליניאריות מתרחשת האופף מתנדנד ליד רמות האספקה (+/-) עקב הפחתה בניתוק או הרוויה של רווח ההתקן הפעיל (טרנזיסטור).
דבר מוזר אחד הוא שהמעגלים שתוכננו בצורה גרועה דורשים למעשה רווחים שוליים העולים על 1 במהלך הייצור שלהם.
מצד שני, רווח גבוה יותר מוביל לעיוות גדול יותר עבור גל הסינוס המוצא.
במקרים בהם הרווח מינימלי, התנודות נפסקות בנסיבות שליליות קיצוניות.
כאשר הרווח גבוה מאוד, נראה כי צורת גל הפלט דומה הרבה יותר לגל מרובע במקום לגל סינוס.
עיוות הוא בדרך כלל תוצאה מיידית של יותר מדי רווח המניע את המגבר.
לכן יש לשלוט בזהירות ברווח להשגת מתנדים בעיוותים נמוכים.
מתנדים בהחלפת שלב יכולים להראות עיוותים, אולם יתכן שיש להם יכולת להגיע למתח יציאה בעיוותים נמוכים באמצעות קטעי RC מדורגים שנאגרו.
הסיבה לכך היא שקטעי RC מדורגים מתנהגים כמסנני עיוות. יתר על כן, מתנדים משמרת פאזה שנאגרו חווים עיוותים נמוכים מכיוון שהרווח מנוהל ומאוזן באופן אחיד בין המאגרים.
סיכום
מהדיון לעיל למדנו את עקרון העבודה הבסיסי של מתנדים אופמים והבנו לגבי הקריטריונים הבסיסיים להשגת תנודות מתמשכות. בפוסט הבא נלמד על מתנדים של גשר וינה .
קודם: כיצד לפתור את מעגלי הטרנזיסטור (BJT) בצורה נכונה הבא: מתנד משמרת שלב - וינה-ברידג ', שנאגר, רביעי, בובה
