מתנד משמרת פאזה הוא מעגל מתנד שנועד לייצר תפוקת גלי סינוס. הוא פועל עם אלמנט פעיל יחיד כגון BJT או מגבר אופ מוגדר במצב מגבר הפוך.
סידור המעגל יוצר משוב מהפלט לקלט באמצעות מעגל RC (נגד / קבלים) המסודר ברשת מסוג סולם. הכנסת משוב זה גורמת ל'סטה 'חיובית בשלב הפלט מהמגבר ב -180 מעלות בתדר המתנד.
גודל העברת הפאזות שנוצרה על ידי רשת RC תלויה בתדרים. תדרים מתנדים גבוהים יותר יוצרים מעבר גדול יותר של פאזות.
ההסברים המקיפים הבאים יעזרו לנו ללמוד את המושג בפירוט רב יותר.
בתוך ה פוסט קודם למדנו על השיקולים הקריטיים הנדרשים בעת תכנון מתנד העברת פאזה מבוסס מגבר. בפוסט זה ניקח את זה עוד יותר קדימה ונדע עוד לגבי סוגים של מתנדים משמרת פאזה וכיצד לחשב את הפרמטרים המעורבים באמצעות נוסחאות.
מעגל גשר וינה
התרשים שלהלן מציג את הגדרת מעגל וינה-גשר.
כאן נוכל לשבור את הלולאה בכניסה החיובית של ה- opamp ולחשב את האות החוזר באמצעות המשוואה 2 הבאה:
מתי ⍵ = 2πpf = 1 / RC המשוב נמצא בשלב (משוב חיובי), עם רווח של 1/3 .
לכן התנודות זקוקות למעגל האופמפ לרווח של 3.
כאשר ר F = 2R ז , הרווח של המגבר הוא 3 והתנודה מתחילה ב- f = 1 / 2πRC.
בניסוי שלנו המעגל התנודד ב -1.65 קילוהרץ במקום 1.59 קילוהרץ תוך שימוש בערכי החלק המצוינים באיור 3, אך עם עיוות לכאורה.
האיור הבא להלן מדגים מעגל גשר בווינה משוב לא לינארי .
אנו יכולים לראות מנורת RL שהתנגדות נימה שלה נבחרה נמוכה מאוד, כ- 50% מערך התנגדות המשוב של RF, מכיוון שזרם המנורה מוגדר על ידי RF ו- RL.
הקשר בין זרם המנורה לבין התנגדות המנורה שאינו לינארי, עוזר לשמור על שינויי מתח המוצא ברמה המינימלית.
ייתכן שתמצא גם מעגלים רבים המשלבים דיודות במקום הרעיון של אלמנט המשוב הלא לינארי שהוסבר לעיל.
השימוש בדיודה מסייע בהפחתת עיוות ידי הצעת בקרת מתח יציאה עדינה.
עם זאת, אם השיטות שלעיל אינן חיוביות עבורך, עליך ללכת על שיטות AGC, דבר המסייע באופן זהה לעיוות מופחת.
מתנד משותף של גשר וינה המשתמש במעגל AGC מוצג באיור הבא.
כאן הוא מדגים את גל הסינוס השלילי באמצעות D1, והדגימה מאוחסנת בתוך C1.
R1 ו- R2 מחושבים כך שהם מרכזים את ההטיה ב- Q1 כדי להבטיח כי (R ז + R שאלה 1 ) שווה ל- R F / 2 עם מתח המוצא הצפוי.
אם מתח המוצא נוטה להיות גבוה יותר, ההתנגדות של Q1 עולה, וכתוצאה מכך מורידה את הרווח.
במעגל המתנד הראשון של גשר וינה ניתן לראות את אספקת ה -0.833 וולט מופעלת על סיכת הקלט החיובית של האופמפ. זה נעשה במטרה לרכז את מתח השקט המוצא ב- VCC / 2 = 2.5 V.
מתנד משמרת שלב (אופמפ אחד)
ניתן לבנות מתנד משמרת פאזה באמצעות אופמפ יחיד בלבד כפי שמוצג לעיל.
החשיבה המקובלת היא שבמעגלים להעברת פאזה השלבים מבודדים ושולטים זה בזה. זה נותן לנו את המשוואה הבאה:
כאשר העברת הפאזה של קטע בודד היא –60 מעלות, העברת שלב הלולאה היא – –180 מעלות. זה קורה כאשר ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC מאז המשיק 60 ° = 1.73.
הערך של β ברגע זה במקרה (1/2)3, כלומר הרווח, A, צריך להיות עם רמה 8 כדי שרווח המערכת יהיה עם רמה 1.
בתרשים זה נמצא כי תדירות התנודה לערכי החלק המצוינים היא 3.76 קילוהרץ, ולא לפי תדר התנודה המחושב של 2.76 קילוהרץ.
יתר על כן, הרווח הדרוש ליזום תנודה נמדד להיות 26 ולא לפי הרווח המחושב של 8.
סוגים אלה של אי דיוקים נובעים במידה מסוימת מפגמים ברכיבים.
עם זאת ההיבט המשפיע ביותר הוא בשל התחזיות השגויות כי שלבי ה- RC לעולם אינם משפיעים זה על זה.
התקנת מעגל אופמפי יחידה זו הייתה ידועה למדי בזמנים שבהם רכיבים פעילים היו מגושמים ובמחיר גבוה.
כיום מגברי op הם חסכוניים וקומפקטיים והם זמינים עם ארבעה מספרים בתוך חבילה אחת, ולכן מתנד העברת פאזה יחיד של אופמפ איבד בסופו של דבר את הכרתו.
מתנד משמרת פאזה שנאגר
אנו יכולים לראות מתנד מעבר-פאזה שנאגר באיור שלעיל, פועם ב -2.9 קילוהרץ במקום בתדר האידיאלי הצפוי של 2.76 קילו-הרץ, ועם רווח של 8.33 לעומת רווח אידיאלי של 8.
המאגרים אוסרים על קטעי ה- RC להשפיע זה על זה, ולכן מתנדי מעבר-השלב שנאגרו מסוגלים לפעול קרוב יותר לתדר ולרווח המחושב.
הנגד RG האחראי על הגדרת הרווח, טוען את קטע ה- RC השלישי, ומאפשר לאופמפ הרביעי באמפה מרובעת לשמש חוצץ למקטע RC זה. זה גורם לרמת היעילות להגיע לערך אידיאלי.
אנו יכולים לחלץ גל סינוס בעיוותים נמוכים מכל אחד משלבי המתנד המסתובבים בשלב, אך ניתן לגזור את גל הסינוס הטבעי ביותר מפלט קטע ה- RC האחרון.
זה בדרך כלל צומת זרם נמוך בעל עכבה גבוהה, ולכן יש להשתמש כאן במעגל בעל שלב כניסה בעל עכבה גבוהה כדי למנוע טעינות וסטיות תדרים בתגובה לשינויים בעומס.
מתנד רביעי
מתנד הרבע הוא גרסה נוספת של מתנד משמרת פאזה, אולם שלושת שלבי ה- RC מורכבים באופן שכל קטע מוסיף 90 ° של מעבר פאזה.
הפלטים נקראים סינוס וקוסינוס (ריבוע) פשוט כי קיימת תזוזת פאזה של 90 מעלות בין יציאות אופמפ. רווח הלולאה נקבע באמצעות משוואה 4.
עם ⍵ = 1 / RC , משוואה 5 מפשטת ל 1√ - 180 ° , המוביל לתנודות ב ⍵ = 2πpf = 1 / RC.
המעגל הניסוי פועם ב -1.65 קילוהרץ לעומת הערך המחושב של 1.59 קילוהרץ, וההפרש נובע בעיקר משינויים בערך החלק.
מתנד בובה
מתנד ה- Bubba המוצג לעיל הוא גרסה נוספת של מתנד מעבר-פאזה, אך הוא נהנה מהיתרון מחבילת המגבר המרובע כדי לייצר כמה מאפיינים ייחודיים.
ארבעה קטעי RC קוראים להעברת פאזה של 45 ° לכל קטע, כלומר מתנד זה מגיע עם dΦ / dt יוצא מן הכלל כדי להפחית את חריגות התדרים.
כל אחד ממקטעי ה- RC מייצר מעבר של 45 °. המשמעות, מכיוון שיש לנו תפוקות מקטעים חלופיים מבטיחה תפוקות ריבועיות בעלות עכבה נמוכה.
בכל פעם שמוצאים פלט מכל אופמפ, המעגל מייצר ארבעה גלי סינוס 45 מעלות. ניתן לכתוב את משוואת הלולאה כ:
מתי ⍵ = 1 / RC המשוואות הנ'ל מתכווצות למשוואות 7 ו- 8 הבאות.
הרווח, A, אמור להגיע לערך 4 כדי להניע תנודה.
מעגל הניתוח התנודד ב- 1.76 קילוהרץ לעומת התדר האידיאלי 1.72 קילוהרץ ואילו הרווח נראה 4.17 במקום הרווח האידיאלי של 4.
עקב רווח מופחת ל ומגברים אופטיים עם זרם הטיה נמוך, הנגד RG האחראי על תיקון הרווח אינו מעמיס את קטע ה- RC הסופי. זה מבטיח את תפוקת תדרי המתנד המדויקת ביותר.
ניתן לרכוש גלי סינוס בעיוותים נמוכים במיוחד מצומת R ו- RG.
בכל פעם שיש צורך בגלי סינוס בעיוות נמוך על פני כל הפלטים, הרווח אמור להיות מחולק באופן שווה בין כל האורות.
הקלט הלא-הפוך של מגבר ה- op-gain הוא מוטה ב 0.5 וולט ליצירת מתח המוצא השקט ב -2.5 V. חלוקת הרווח מחייבת הטייה של האחרות, אך אין לה שום השפעה על תדירות התנודה.
מסקנות
בדיון לעיל הבנו שמתנדים להעברת פאזי אופ מגברים מוגבלים לקצה התחתון של רצועת התדרים.
זאת בשל העובדה שלמגברי אופ-אין אין רוחב הפס החיוני ליישום העברת פאזה נמוכה בתדרים גבוהים יותר.
יישום מגברי ה- OP המשוב הנוכחי המודרני במעגלי מתנד נראים קשים מכיוון שאלה רגישים מאוד לקיבול המשוב.
מגברי אופ-משוב של מתח מוגבלים לכמה 100 קילו-הרץ בלבד מכיוון שהם בונים מעבר פאזה מוגזם.
המתנד של גשר וינה עובד באמצעות מספר קטן של חלקים, ויציבות התדר שלו מקובלת מאוד.
אבל, חיטוב העיוות במתנד של גשר וינה הוא פחות קל מאשר התחלת תהליך התנודה עצמו.
מתנד הרבע בוודאי פועל באמצעות כמה מגברים, אך הוא כולל עיוות גבוה בהרבה. עם זאת, מתנדים להעברת פאזה, כמו מתנד Bubba, מגלים עיוותים נמוכים בהרבה יחד עם יציבות תדרים ראויה.
עם זאת, הפונקציונליות המשופרת של מתנדים משמרת פאזה מסוג זה אינה זולה בשל עלויות גבוהות יותר של החלקים המעורבים בשלבי המעגל השונים.
אתרי אינטרנט קשורים
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
קודם: מתנדים למגבר אופ הבא: מעגל מגבר כוח 1000 וואט עד 2000 וואט
