Osciladores de amplificador operacional

Una construcción de oscilador que utiliza un amplificador operacional como elemento activo se denomina oscilador de amplificador operacional.

En esta publicación, aprendemos cómo diseñar osciladores basados ​​en opamp y con respecto a los muchos factores críticos necesarios para generar un diseño de oscilador estable.

Los osciladores basados ​​en amplificadores operacionales se utilizan normalmente para generar formas de onda periódicas y precisas como cuadradas, dientes de sierra, triangulares y sinusoidales.

Generalmente operan usando un solo dispositivo activo, o una lámpara, o un cristal, y asociados por algunos dispositivos pasivos como resistencias, condensadores e inductores, para generar la salida.

Categorías de oscilador de amplificador operacional

Encontrará un par de grupos primarios de osciladores: relajación y sinusoidal.

Los osciladores de relajación producen las formas de onda triangular, de diente de sierra y otras formas de onda no sinuoidales.

Los osciladores sinusoidales incorporan amplificadores operacionales que utilizan piezas adicionales acostumbradas a crear oscilación, o cristales que tienen generadores de oscilación incorporados.

Los osciladores de onda sinusoidal se emplean como fuentes o formas de onda de prueba en numerosas aplicaciones de circuitos.

Un oscilador sinusoidal puro presenta únicamente una frecuencia individual o básica: idealmente sin ningún armónico.

Como resultado, una onda sinusoidal podría ser la entrada a un circuito, utilizando armónicos de salida calculados para fijar el nivel de distorsión.

Las formas de onda en los osciladores de relajación se producen a través de ondas sinusoidales que se suman para entregar la forma estipulada.

Los osciladores son útiles para producir impulsos consistentes que se utilizan como referencia en aplicaciones como audio, generadores de funciones, sistemas digitales y sistemas de comunicación.

Osciladores de onda sinusoidal

Los osciladores sinusoidales comprenden amplificadores operacionales que utilizan circuitos RC o LC que contienen frecuencias de oscilación ajustables, o cristales que poseen una frecuencia de oscilación predeterminada.

La frecuencia y amplitud de oscilación se establecen mediante la selección de partes pasivas y activas conectadas con el amplificador operacional central.

Los osciladores basados ​​en amplificadores operacionales son circuitos creados para ser inestables. No del tipo que a veces se desarrolla o diseña inesperadamente en el laboratorio, sino del tipo que se construye deliberadamente para continuar en una condición inestable u oscilatoria.

Los osciladores de amplificador operacional están vinculados al extremo inferior del rango de frecuencia debido al hecho de que los amplificadores operacionales carecen del ancho de banda necesario para implementar el cambio de fase bajo en frecuencias altas.

Los amplificadores operacionales de retroalimentación de voltaje están restringidos a un rango bajo de kHz, ya que su polo principal de bucle abierto suele ser tan pequeño como 10 Hz.

Los modernos amplificadores operacionales de retroalimentación de corriente están diseñados con un ancho de banda significativamente más amplio, pero son increíblemente difíciles de implementar en circuitos de oscilador, ya que son sensibles a la capacitancia de retroalimentación.

Los osciladores de cristal se recomiendan en aplicaciones de alta frecuencia en el rango de cientos de MHz.

Requerimientos básicos

En el tipo más básico, también llamado tipo canónico, se utiliza un método de retroalimentación negativa.

Esto se convierte en el prerrequisito para iniciar la oscilación como se muestra en la Figura 1. Aquí vemos el diagrama de bloques para tal método en el que VIN se fija como el voltaje de entrada.

Vout significa la salida del bloque A.

β denota la señal, también llamada factor de retroalimentación, que se devuelve a la unión sumadora.

E significa el elemento de error equivalente a la suma del factor de retroalimentación y el voltaje de entrada.

Las ecuaciones resultantes para un circuito oscilador se pueden ver a continuación. La primera ecuación es la importante que define el voltaje de salida. La ecuación 2 da el factor de error.

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

E = Vin + βVout --------------------------(2)

Al eliminar el factor de error E de las ecuaciones anteriores se obtiene

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

Extraer los elementos en Vout da

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

La reorganización de los términos en la ecuación anterior nos proporciona la siguiente fórmula de retroalimentación clásica a través de la ecuación # 5

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

Los osciladores pueden funcionar sin la ayuda de una señal externa. Más bien, una parte del pulso de salida se utiliza como entrada a través de una red de retroalimentación.

Se inicia una oscilación cuando la retroalimentación no logra alcanzar un estado estable estable. Esto sucede porque la acción de transferencia no se cumple.

Esta inestabilidad ocurre cuando el denominador de la ecuación # 5 se vuelve cero, como se muestra a continuación:

1 + Aβ = 0, o Aβ = -1.

Lo crucial al diseñar un circuito oscilador es asegurar que Aβ = -1. Esta condición se llama Criterio de Barkhausen .

Para satisfacer esta condición, es esencial que el valor de la ganancia del lazo permanezca en la unidad a través del correspondiente cambio de fase de 180 grados. Esto está comprendido por el signo negativo en la ecuación.

Los resultados anteriores se pueden expresar alternativamente como se muestra a continuación utilizando símbolos de álgebra compleja:

Aβ = 1 ㄥ -180 °

Al diseñar un oscilador de retroalimentación positiva, la ecuación anterior se puede escribir como:

Aβ = 1 ㄥ 0 ° lo que hace que el término Aβ en la ecuación # 5 sea negativo.

Cuando Aβ = -1, la salida de retroalimentación tiende a moverse hacia un voltaje infinito.

Cuando esto se acerca a los niveles máximos de suministro + o -, el nivel de ganancia de los dispositivos activos en los circuitos cambia.

Esto hace que el valor de A se convierta en Aβ ≠ -1, lo que ralentiza el enfoque de voltaje infinito de retroalimentación y finalmente lo detiene.

Aquí, podemos encontrar una de las tres posibilidades sucediendo:

1. Saturación o corte no lineal que hace que el oscilador se estabilice y bloquee.
2. La carga inicial obliga al sistema a saturarse durante mucho tiempo antes de que vuelva a ser lineal y comience a acercarse al carril de suministro opuesto.
3. El sistema sigue estando en la región lineal y se revierte hacia el carril de suministro opuesto.

En el caso de la segunda posibilidad, obtenemos oscilaciones inmensamente distorsionadas, generalmente en forma de ondas cuasi cuadradas.

¿Qué es el cambio de fase en los osciladores?

El cambio de fase de 180 ° en la ecuación Aβ = 1 ㄥ -180 ° se crea a través de los componentes activo y pasivo.

Al igual que cualquier circuito de retroalimentación correctamente diseñado, los osciladores se construyen en función del cambio de fase de los componentes pasivos.

Esto se debe a que los resultados de las piezas pasivas son precisos y prácticamente sin desviaciones. El cambio de fase adquirido de los componentes activos es en su mayoría inexacto debido a muchos factores.

Puede variar con los cambios de temperatura, puede mostrar una amplia tolerancia inicial y también los resultados pueden depender de las características del dispositivo.

Los amplificadores operacionales se eligen para garantizar que provoquen un cambio de fase mínimo a la frecuencia de la oscilación.

Un circuito RL (resistor-inductor) o RC (resistor-captador) de un solo polo produce un cambio de fase de aproximadamente 90 ° por polo.

Dado que 180 ° son necesarios para la oscilación, se emplean un mínimo de dos polos al diseñar un oscilador.

Un circuito LC posee 2 polos, por lo tanto, proporciona un cambio de fase de alrededor de 180 ° para cada par de polos.

Sin embargo, aquí no discutiremos los diseños basados ​​en LC debido a la implicación de inductores de baja frecuencia que pueden ser costosos, voluminosos e indeseables.

Los osciladores LC están diseñados para aplicaciones de alta frecuencia, que pueden estar por encima del rango de frecuencia de los amplificadores operacionales basados ​​en el principio de retroalimentación de voltaje.

Aquí puede encontrar que el tamaño, el peso y el costo del inductor no son de mucha importancia.

El cambio de fase determina la frecuencia de oscilación ya que el circuito pulsa a la frecuencia que obtiene un cambio de fase de 180 grados. El df / dt o la velocidad a la que cambia el cambio de fase con la frecuencia, decide la estabilidad de la frecuencia.

Cuando se utilizan secciones RC con búfer en cascada en forma de amplificadores operacionales, que ofrecen una impedancia de entrada alta y salida baja, el desplazamiento de fase se multiplica por el número de secciones, norte (vea la Figura siguiente).

A pesar del hecho de que dos secciones RC en cascada presentan un cambio de fase de 180 °, es posible que dФ / dt sea mínimo en la frecuencia del oscilador.

Como resultado, los osciladores construidos con dos secciones RC en cascada ofrecen inadecuado estabilidad de frecuencia.

Tres secciones de filtro RC en cascada idénticas proporcionan un dФ / dt aumentado, lo que permite al oscilador una estabilidad de frecuencia mejorada.

Sin embargo, la introducción de una cuarta sección RC crea un oscilador con un sobresaliente dФ / dt.

Por lo tanto, esto se convierte en una configuración de oscilador extremadamente estable.

Cuatro secciones resultan ser el rango preferido principalmente porque los amplificadores operacionales están disponibles en paquetes cuádruples.

Además, el oscilador de cuatro secciones produce 4 ondas sinusoidales que tienen un desplazamiento de fase de 45 ° con respecto a la otra, lo que significa que este oscilador le permite obtener ondas sinusoidales en cuadratura o seno / coseno.

Uso de cristales y resonadores cerámicos

Los resonadores de cristal o cerámica nos proporcionan los osciladores más estables. Esto se debe a que los resonadores tienen un dФ / dt increíblemente alto como resultado de sus propiedades no lineales.

Los resonadores se aplican en osciladores de alta frecuencia, sin embargo, los osciladores de baja frecuencia generalmente no funcionan con resonadores debido a restricciones de tamaño, peso y costo.

Encontrará que los amplificadores operacionales no se utilizan con osciladores de resonador cerámico principalmente porque los amplificadores operacionales incluyen un ancho de banda reducido.

Los estudios demuestran que es menos costoso construir un oscilador de cristal de alta frecuencia y recortar la salida para adquirir una frecuencia baja en lugar de incorporar un resonador de baja frecuencia.

Ganancia en osciladores

La ganancia de un oscilador debe coincidir uno a la frecuencia de oscilación. El diseño se estabiliza una vez que la ganancia es mayor que 1 y las oscilaciones se detienen.

Tan pronto como la ganancia alcanza más de 1 junto con un cambio de fase de –180 °, la propiedad no lineal del dispositivo activo (opamp) reduce la ganancia a 1.

Cuando ocurre la no linealidad, el amplificador operacional oscila cerca de los niveles de suministro (+/-) debido a la reducción en el corte o la saturación de la ganancia del dispositivo activo (transistor).

Una cosa extraña es que los circuitos mal diseñados en realidad demandan ganancias marginales superiores a 1 durante su producción.

Por otro lado, una ganancia más alta conduce a una mayor cantidad de distorsión para la onda sinusoidal de salida.

En los casos en que la ganancia es mínima, las oscilaciones cesan en circunstancias extremadamente desfavorables.

Cuando la ganancia es muy alta, la forma de onda de salida parece ser mucho más similar a una onda cuadrada en lugar de una onda sinusoidal.

La distorsión suele ser una consecuencia inmediata de demasiada ganancia que sobrepasa el amplificador.

Por lo tanto, la ganancia debe controlarse con precaución para lograr osciladores de baja distorsión.

Los osciladores de cambio de fase pueden mostrar distorsiones, sin embargo, pueden tener la capacidad de lograr voltajes de salida de baja distorsión utilizando secciones RC en cascada con búfer.

Esto se debe a que las secciones RC en cascada se comportan como filtros de distorsión. Además, los osciladores de desplazamiento de fase con búfer experimentan una baja distorsión ya que la ganancia se gestiona y equilibra uniformemente entre los búferes.

Conclusión

De la discusión anterior aprendimos el principio de funcionamiento básico de los osciladores opamp y entendimos los criterios fundamentales para lograr oscilaciones sostenidas. En la próxima publicación aprenderemos sobre Osciladores de puente de Viena .