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RC-Oszillatorschaltung - Das RC-Oszillator-Tutorial

Oszillator

In den Verstärker-Tutorials haben wir gesehen, dass ein einstufiger Transistorverstärker 180 erzeugen kannO der Phasenverschiebung zwischen Ausgangs- und Eingangssignalen, wenn in einer Klasse-A-Konfiguration angeschlossen.

Für einen Oszillator, der Schwingungen aufrechterhältauf unbestimmte Zeit muss eine ausreichende Rückkopplung der korrekten Phase, das heißt "Positive Feedback", bereitgestellt werden, wobei der Transistorverstärker verwendet wird, der als invertierende Stufe dient, um dies zu erreichen.

In einem (n RC-Oszillator Schaltung ist der Eingang um 180 verschobenO durch die Verstärkerstufe und 180O noch einmal durch eine zweite Umkehrstufe, die uns „180O + 180O = 360O”Der Phasenverschiebung, die effektiv gleich 0 istO Dadurch erhalten wir das erforderliche positive Feedback. Mit anderen Worten, die Phasenverschiebung der Rückkopplungsschleife sollte "0" sein.

In einem Widerstand-Kapazitäts-Oszillator oder einfach eine RC-Oszillatorverwenden wir die Tatsache, dass eine Phasenverschiebung zwischen dem Eingang eines RC-Netzwerks und dem Ausgang desselben Netzwerks auftritt, indem zum Beispiel RC-Elemente im Rückkopplungszweig verwendet werden.

RC-Phase-Shift-Netzwerk

rc phasenverschiebungsnetzwerk

Die Schaltung auf der linken Seite zeigt ein einzelnes Widerstands-Kondensator-Netzwerk, dessen Ausgangsspannung der Eingangsspannung um einen Winkel von weniger als 90 "vorauseilt"O. Eine ideale einpolige RC-Schaltung würde eine Phasenverschiebung von genau 90 erzeugenOund weil 180O Für die Oszillation ist eine Phasenverschiebung erforderlich, wobei mindestens zwei Einzelpole verwendet werden müssen RC-Oszillator Design.

In der Realität ist es jedoch schwierig, genau 90 zu erhaltenO Phasenverschiebung, so werden mehr Stufen verwendet. Das Ausmaß der tatsächlichen Phasenverschiebung in der Schaltung hängt von den Werten des Widerstands und des Kondensators und der gewählten Frequenz der Schwingungen ab, wobei der Phasenwinkel (Φ) gegeben ist als:

RC-Phasenwinkel

rc Phasenverschiebungsgleichung

Wo: XC ist die kapazitive Reaktanz des Kondensators, R ist der Widerstand des Widerstands und f ist die Frequenz.

In unserem einfachen Beispiel oben wurden die Werte von R und C so gewählt, dass bei der erforderlichen Frequenz die Ausgangsspannung der Eingangsspannung um einen Winkel von etwa 60 voreiltO. Dann nimmt der Phasenwinkel zwischen den aufeinanderfolgenden RC-Abschnitten um weitere 60 zuO eine Phasendifferenz zwischen Eingang und Ausgang von 180 ergibtO (3 x 60O) wie im folgenden Vektordiagramm dargestellt.

Vektordiagramm

RC-Oszillator-Vektordiagramm

Durch das Verbinden von drei solchen RC-Netzwerken in Reihe können wir eine Gesamtphasenverschiebung in der Schaltung von 180 erzeugenO bei der gewählten Frequenz, und dies bildet die Basis eines "Phasenverschiebungsoszillators", auch bekannt als a RC-Oszillator Schaltung.

Wir wissen, dass in einer Verstärkerschaltung, die entweder einen Bipolartransistor oder einen Operationsverstärker verwendet, eine Phasenverschiebung von 180 erzeugt wirdO zwischen seiner Eingabe und Ausgabe. Wenn ein dreistufiges RC-Phasenverschiebungsnetzwerk zwischen diesem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist, wird die gesamte Phasenverschiebung, die für die Rückkopplungsrückkopplung erforderlich ist, 3 × 60O + 180O = 360O wie gezeigt.

grundlegende rc-rückkopplungsschaltung

Die drei RC-Stufen sind kaskadiert, um die erforderliche Steigung für eine stabile Schwingungsfrequenz zu erhalten. Die Phasenverschiebung der Rückkopplungsschleife beträgt -180O wenn die Phasenverschiebung jeder Stufe -60 istO. Dies tritt auf, wenn ω = 2πƒ = 1.732 / RC als (tan 60)O = 1,732). Um die erforderliche Phasenverschiebung in einer RC-Oszillatorschaltung zu erreichen, müssen dann mehrere RC-Phasenverschiebungsnetzwerke wie die darunter liegende Schaltung verwendet werden.

Grundlegende RC-Oszillatorschaltung

RC-Oszillatorschaltung

Das grundlegende RC-Oszillator was auch als a bekannt ist Phasenverschiebungs-Oszillator, erzeugt ein Sinuswellen-Ausgangssignal mitregenerative Rückkopplung aus der Widerstands-Kondensator-Kombination. Diese Rückkopplungsrückkopplung vom RC-Netzwerk beruht auf der Fähigkeit des Kondensators, elektrische Ladung zu speichern (ähnlich wie bei der LC-Tankschaltung).

Dieses Widerstands-Kondensator-Rückkopplungsnetzwerk kann seinwie oben gezeigt verbunden, um eine führende Phasenverschiebung (Phasenvorschubnetzwerk) zu erzeugen, oder ausgetauscht, um eine nacheilende Phasenverschiebung zu erzeugen (Phasenverzögerungsnetzwerk), ist das Ergebnis immer noch dasselbe wie die Sinuswellenschwingungen nur bei der Frequenz auftreten, bei der die gesamte Schicht ist 360O.

Durch Ändern eines oder mehrerer der Widerstände oderBei Kondensatoren im Phasenverschiebungsnetzwerk kann die Frequenz variiert werden. Dies geschieht im Allgemeinen, indem die Widerstände gleich gehalten werden und ein variabler 3-Gang-Kondensator verwendet wird.

Wenn alle Widerstände R und die Kondensatoren C im Phasenverschiebungsnetzwerk gleich groß sind, wird die vom RC-Oszillator erzeugte Frequenz der Schwingungen angegeben als:

rc Oszillatorfrequenz
  • Woher:
  • ƒr ist die Ausgangsfrequenz in Hertz
  • R ist der Widerstand in Ohm
  • C ist die Kapazität in Farads
  • N ist die Anzahl der RC-Stufen. (N = 3)

Da die Widerstand-Kondensator-Kombination in der RC-Oszillator Die Schaltung wirkt auch als Abschwächer und erzeugt eineGesamtdämpfung von -1 / 29 (Vo / Vi = β) über den drei Stufen, muss die Spannungsverstärkung des Verstärkers ausreichend hoch sein, um diese RC-Verluste zu überwinden. Daher muss in unserem dreistufigen RC-Netzwerk die Verstärkerverstärkung gleich oder größer als 29 sein.

Der Ladeeffekt des Verstärkers amEin Rückkopplungsnetzwerk wirkt sich auf die Frequenz der Schwingungen aus und kann dazu führen, dass die Oszillatorfrequenz um bis zu 25% höher ist als berechnet. Dann sollte das Rückkopplungsnetzwerk von einer Ausgangsquelle mit hoher Impedanz angetrieben und in eine Last mit niedriger Impedanz, wie einem Transistor mit üblichem Emitter, eingespeist werden, aber es ist besser, einen Operationsverstärker zu verwenden, da er diese Bedingungen perfekt erfüllt.

Der RC-Oszillator des Operationsverstärkers

Bei Verwendung als RC-Oszillatoren RC-Oszillatoren des Operationsverstärkers sind häufiger als ihre bipolaren Transistoren. Die Oszillatorschaltung besteht aus einem Operationsverstärker mit negativer Verstärkung und einem dreiteiligen RC-Netzwerk, das die 180 erzeugtO Phasenverschiebung. Das Phasenverschiebungsnetzwerk wird vom Ausgang der Operationsverstärker wieder mit dem Eingang "invertierend" verbunden, wie unten gezeigt.

RC-Oszillatorschaltung für Operationsverstärker

Operationsverstärker-RC-Oszillatorschaltung

Da die Rückkopplung an den invertierenden Eingang angeschlossen ist, ist der Operationsverstärker daher in seiner Konfiguration "invertierender Verstärker" geschaltet, die die erforderliche 180 erzeugtO Phasenverschiebung, während das RC-Netzwerk die anderen 180 erzeugtO Phasenverschiebung bei der erforderlichen Frequenz (180O + 180O).

Es ist zwar möglich, nur zwei einpolige RC-Stufen miteinander zu kaskadieren, um die erforderlichen 180 bereitzustellenO der Phasenverschiebung (90O + 90O) ist die Stabilität des Oszillators bei niedrigen Frequenzen im Allgemeinen schlecht.

Eines der wichtigsten Merkmale eines RC-Oszillator ist seine Frequenzstabilität, dh seine Fähigkeit, unter variierenden Lastbedingungen einen Sinuswellenausgang mit konstanter Frequenz bereitzustellen. Durch Kaskadierung von drei oder sogar vier RC-Stufen (4 x 45)O) kann die Stabilität des Oszillators stark verbessert werden.

RC-Oszillatoren mit vier Stufen werden im Allgemeinen verwendet, da allgemein verfügbare Operationsverstärker in Quad-IC-Gehäusen geliefert werden, so dass ein 4-stufiger Oszillator mit 45 entworfen wirdO der Phasenverschiebung relativ zueinander ist relativ einfach.

RC-Oszillatoren sind stabil und liefern eine gut geformte SinuswelleDie Frequenz ist proportional zu 1 / RC und daher ist bei Verwendung eines variablen Kondensators ein breiterer Frequenzbereich möglich. RC-Oszillatoren sind jedoch aufgrund ihrer Bandbreitenbeschränkungen auf Frequenzanwendungen beschränkt, um die gewünschte Phasenverschiebung bei hohen Frequenzen zu erzeugen.

RC-Oszillator-Beispiel Nr. 1

EIN 3-stufiger RC-Phase-Shift-Oszillator ist erforderlich, um eine Schwingungsfrequenz zu erzeugenvon 6,5 kHz. Wenn 1nF-Kondensatoren in der Rückkopplungsschaltung verwendet werden, berechnen Sie den Wert der frequenzbestimmenden Widerstände und den Wert des Rückkopplungswiderstands, der zur Aufrechterhaltung von Schwingungen erforderlich ist. Zeichne auch die Schaltung.

Die Standardgleichung für den Phasenverschiebungs-RC-Oszillator lautet:

rc Oszillator-Resonanzfrequenz

Die Schaltung soll ein 3-stufiger RC-Oszillator seindie aus drei Widerständen und drei 1nF-Kondensatoren bestehen wird. Da die Schwingungsfrequenz 6,5 kHz beträgt, wird der Wert der Widerstände berechnet als:

rc Schwingungsfrequenz

Die Verstärkung der Operationsverstärker muss gleich sein29, um Schwingungen aufrecht zu erhalten. Der Widerstandswert der drei Schwingungswiderstände beträgt 10 kΩ, daher der Wert des Rückkopplungswiderstands R der Operationsverstärkerf berechnet sich als:

Rückkopplungswiderstand

RC-Oszillator-Operationsverstärkerschaltung

rc Oszillator-Operationsverstärkerschaltung

Im nächsten Tutorial über Oszillatoren werden wir einen anderen Typ von betrachten RC-Oszillator Wien-Brücken-Oszillatoren genannt, die Widerstände und Kondensatoren als Panzerkreis verwenden, um eine niederfrequente Sinuskurve zu erzeugen.

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