Генераторы гармонических сигналов на операционных усилителях

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ЮЖНОГО  ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА В г. ТАГАНРОГЕ 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 

Индивидуальная  работа

по курсу  «ЭиЭ»

Тема: «Генераторы гармонических сигналов на операционных усилителях»

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил  студент

группы А-49 :

Курмалеев А.О.

Проверил:

Югай В.Я. 

 
 
 
 
 
 
 

  

                                                         

Таганрог 2011

1. Введение

Генераторами  являются такие схемы, которые производят периодические колебания различных  форм, например, прямоугольные, треугольные, пилообразные и синусоидальные. В  генераторах обычно применяются  различные активные компоненты, лампы  или кварцевые резонаторы, а так  же пассивные - резисторы, конденсаторы, индуктивности.

Существует  два основных класса генераторов - релаксационные и гармонические. Релаксационные генераторы производят треугольные, пилообразные и другие несинусоидальные сигналы, и в этой статье они не рассматриваются. Синусоидальные генераторы состоят  из усилителей со внешними компонентами, или же компоненты могут быть смонтированы на одном кристалле с усилителем. В этой статье рассматриваются генераторы гармонических сигналов, созданные на основе операционных усилителей.

Генераторы  гармонического сигнала применяются  в качестве образцовых или испытательных  генераторов во многих схемах. В  чистом синусоидальном сигнале присутствует только основная частота - в идеале в нём нет никаких других гармоник. Таким образом, подавая синусоидальный сигнал на вход какого-нибудь устройства, можно измерить уровень гармоник на его выходе, определив таким образом коэффициент нелинейных искажений. В релаксационных генераторах выходной сигнал формируется из синусоидального сигнала, который суммируется для формирования колебаний специальной формы.

2. Что такое генератор  синусоидального  сигнала

Генераторы  на операционных усилителях являются нестабильными схемами - не в том  смысле, что они случайно получились нестабильными - а наоборот, их специально конструируют так, что бы они оставались в нестабильном состоянии или  в состоянии генерации. Генераторы бывают полезны для генерации стандартных сигналов, используемых как образцовые для применения в областях, связанных с аудио, в качестве функциональных генераторов, в цифровых системах и в системах связи.

Существуют  два основных класса генераторов: синусоидальные и релаксационные. Синусоидальные состоят  из усилителей с RC или LC цепями, с помощью  которых можно менять частоту  генерации, или кварцев с фиксированной  частотой. Релаксационные генераторы генерируют колебания треугольной, пилообразной, прямоугольной, импульсной или экспоненциальной формы и  здесь не рассматриваются.

Генераторы  синусоидального сигнала работают без подачи на них внешнего сигнала. Вместо этого применяется комбинация положительной или отрицательной  обратной связи, что бы перевести  усилитель в нестабильное состояние, что приводит к цикличному изменению  сигнала на выходе от минимального до максимального напряжения питания  с постоянным периодом. Частота и  амплитуда колебаний определяется набором активных и пассивных  компонентов, подключённых к операционному  усилителю.

Генераторы  на операционных усилителях ограничены низкочастотным диапазоном частотного спектра, так как у них отсутствует  широкая полоса пропускания, необходимая  для достижения низкого фазового сдвига на высоких частотах. Операционные усилители с обратной связью по напряжению ограничены килогерцовым частотным  диапазоном, так как доминирующий полюс при разомкнутой цепи обратной связи может находиться на достаточно низкой частоте, например 10 Гц. Новые  операционные усилители с токовой  связью имеют гораздо большую  полосу пропускания, но их очень трудно использовать в генераторных схемах потому что они чувствительны к ёмкостям в цепях обратной связи. Генераторы с кварцевыми резонаторами используются для применения в высокочастотных схемах в диапазоне до сотен мГц.

3. Условия для возникновения  генерации

Для демонстрации условий возникновения колебаний  используется классическое изображение  системы с отрицательной обратной связью. На рисунке 1 изображена блочная  схема этой системы, где V_IN - напряжение входного сигнала, V_OUT - напряжение на выходе блока усилителя (A), β - сигнал, называемый коэффициентом обратной связи, который подаётся обратно на сумматор. E представляет ошибку, равную сумме коэффициента обратной связи и входного напряжения.

Рисунок 1. Классическая форма  изображения системы  с положительной  или отрицательной  обратной связью.

Соответствующие классические выражения для системы  обратной связи выводятся следующим  образом. Уравнение (1) является определяющим уравнением для выходного напряжения; уравнение (2) - для соответствующей  ошибки:

V_OUT = E x A    (1)

E = V_IN - βV_OUT    (2)

Выразив первое уравнение через E и подставив его во второе, получим

V_OUT/A = V_IN - βV_OUT   (3)

группируя V_OUT в одной части равенства, получим

V_IN = V_OUT(1/A + β)   (4)

Переставляя местами члены равенства, получим уравнение (5), классическую форму описания обратной связи:

V_OUT/V_IN = A / (1 + Aβ)   (5)

Генераторы  не требуют никакого внешнего сигнала  для своей работы, вместо этого  они используют некоторую часть  выходного сигнала, подаваемого  обратно на вход через цепь обратной связи.

Колебания в  генераторах возникают от того, что  системе обратной связи не удаётся  найти стабильное состояние, потому что условие передаточной функции  не может быть выполнено. Система  становится неустойчивой, когда знаменатель  в уравнении (5) обращается в нуль, т.е. когда 1 + Aβ = 0, или Aβ = -1. Ключом к созданию генератора является выполнение условия Aβ = -1. Это так называемый критерий Баркгаузена. Для удовлетворения этого критерия необходимо, что бы величина усиления цепи обратной связи совпадала по фазе с соответствующим фазовым сдвигом, равным 180°, на что указывает знак "минус". Эквивалентное выражение с использованием символики комплексной алгебры будет Aβ =1∠-180° для отрицательной системы обратной связи. Для положительной системы обратной связи выражение будет выглядеть как Aβ =1∠-0° и знак слагаемого Aβ в уравнении (5) будет отрицательным.

По мере того, как  сдвиг фаз приближается к 180°, и |Aβ| --> 1, выходное напряжение теперь уже неустойчивой системы стремится к бесконечности, но оно, конечно же, ограничено конечными значениями из-за ограничения напряжения источника питания. Когда амплитуда выходного напряжения достигает величины какого-либо из питающих напряжений, то активные устройства в усилителях изменяют коэффициент усиления. Это приводит к тому, что величина A изменяется, и так же приводит к удалению Aβ от бесконечности и, таким образом траектория изменения напряжения в направлении бесконечности замедляется и в конце концов останавливается. На данном этапе может произойти одно из трёх событий:  
 
I. нелинейности в режиме насыщения или отсечки приводят систему в устойчивое состояние и удерживают выходное напряжение вблизи I. I. I. I. Нелинейности в режиме насыщения или отсечки приводят систему в устойчивое состояние и удерживают выходное напряжение вблизи напряжения источника питания.  
II. Начальные изменения приводят систему в режим насыщение (или в режим отсечки) и система остаётся в этом состоянии долгое время, прежде чем она становится линейной и выходное напряжение начинает изменяться по направлению к противоположному источнику питания. 
III. Система остаётся линейной и меняет направление изменения выходного напряжения в сторону к противоположному источнику питания. 
 
Второй вариант даёт сильно искажённые колебания (как правило, почти прямоугольной формы), такие генераторы называют релаксационными. Третий вариант производит синусоидальный сигнал.

4. Сдвиг фаз в  генераторах

В уравнении Aβ =1∠-180° фазовый сдвиг, равный 180°, вносят активные и пассивные компоненты. Как и любые правильно сконструированные схемы с обратной связью, генераторы зависят от фазового сдвига, вносимого пассивными компонентами, потому что этот фазовый сдвиг точный и почти без дрейфа. Фазовый сдвиг, вносимый активными компонентами сведён к минимуму, поскольку он зависит от температуры, имеет широкий начальный допуск, и зависит от типов активных элементов. Усилители подобраны таким образом, что бы они вносили минимальный фазовый сдвиг или вообще не вносили никакого фазового сдвига на частоте колебаний. Эти факторы ограничивают рабочий диапазон генераторов на операционных усилителях относительно низкими частотами.

Однозвенные RL или RC цепи вносят фазовый сдвиг  величиной до 90° (но не точно 90° - их фазовый сдвиг стремится к 90°, но никогда их не достигнет) на звено, и так как для возникновения  колебаний необходим фазовый  сдвиг 180°, то нужно использовать хотя бы два звена в конструкции  генератора (так как максимальный фазовый сдвиг будет стремиться к 180°, то необходимое дополнение фазового сдвига до точного значения 180° будет обеспечиваться входными ёмкостями и сопротивлениями активных элементов). LC цепь имеет два полюса, и может вносить фазовый сдвиг по 180° на полюс. Но LC и LR генераторы здесь не рассматриваются, так как низкочастотные индуктивности дороги, тяжелы, громоздки и сильно неидеальны. LC генераторы применяются в высокочастотных схемах, за пределами частотного диапазона операционных усилителей, там где размер, вес и цена индуктивностей менее важны.

Сдвиг по фазе определяет рабочую частоту генерации, поскольку схема будет генерировать колебания на любой частоте, на которой  накапливается фазовый сдвиг  в 180°. Чувствительность фазы к частоте, dφ/dω, определяет стабильность частоты. Когда буферированные RC звенья (буфер на операционном усилителе обеспечивает высокое входное и низкое выходное сопротивление) включены каскадно, то фазовый сдвиг умножается на количество звеньев, n (см. Рисунок 2).

Рис. 2. Сдвиг фаз RC звеньями.

В той области, где фазовый сдвиг равен 180°, частота  генерации очень чувствительна  к сдвигу фазы. Таким образом, из-за жёстких требований к частоте необходимо, чтобы фазовый сдвиг dφ, изменялся в чрезвычайно узких пределах, что бы изменения частоты dφ были бы незначительными при фазовом сдвиге, равном 180°. Из рисунка 2 видно, что хотя два последовательно соединённых RC звена в конечном итоге обеспечивают фазовый сдвиг почти 180°, величина dφ/dω на частоте генерации недопустимо мала. Следовательно, генератор на основе двух последовательно соединённых RC цепей будет иметь плохую стабильность частоты. Три одинаковых RC фильтра, включённых последовательно, имеют гораздо большее отношение dφ/dω (см. Рисунок 2), что даёт в результате улучшение стабильности частоты генератора. Добавление четвёртого RC звена позволяет создать генератор с превосходным отношением dφ/dω (см. Рисунок 2), таким образом, это даёт наиболее стабильную по частоте схему RC генератора. Четырёхзвенные RC цепи содержат максимальное число звеньев, которое используют, потому что в одном корпусе микросхемы содержится четыре ОУ, и четырёхкаскадный генератор даёт четыре синусоиды, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 45°. Этот же генератор может быть использован для получения синусоидальных/косинусоидальных, а так же квадратурных (т.е. с разницей 90°) сигналов.

Кварцевые или  керамические резонаторы позволяют  создавать гораздо более стабильные генераторы, так как у резонаторов  отношение dφ/dω гораздо выше из-за их нелинейных свойств. Резонаторы применяют в высокочастотных схемах, в низкочастотных схемах резонаторы не используют из-за их больших размеров, веса и стоимости. Операционные усилители обычно не используют совместно с кварцевыми или керамическими резонаторами, так как ОУ имеют низкую полосу пропускания. Опыт показывает, что вместо использования низкочастотных резонаторов для низких частот является более экономически эффективным способ, когда используется высокочастотный кварцевый генератор, выходную частоту которого следует поделить в n раз до необходимой рабочей частоты, а затем отфильтровать выходной сигнал.

5. Усиление генератора

Усиление  генератора должно быть равно единице (Aβ =1∠-180°) на рабочей частоте. При нормальных условиях схема становится устойчивой в случае, когда усиление превышает единицу, и тогда генерация прекращается. Однако если усиление превышает единицу и фазовый сдвиг составляет при этом -180°, то нелинейность активных элементов понижает усиление до единицы, и генерация продолжается. Эта нелинейность становится важной в случае, если выходное напряжение усилителя приближается по величине к одному из питающих напряжений, так как в режиме отсечки или насыщения снижается усиление активных элементов (транзисторов). Парадокс здесь в том, что для технологичности на всякий случай закладывают усиление, превышающее единицу, хотя чрезмерное усиление приводит к увеличению искажения синусоидального сигнала.

Когда усиление слишком низкое, то условия ухудшаются и колебания прекращаются, а когда  усиление слишком большое, то форма  выходного сигнала становится больше похожа на меандр, чем на синусоиду. Искажения являются прямым результатом чрезмерного увеличения усиления, перегружающего усилитель; следовательно, усиление должно контролироваться очень тщательно в генераторах с низким коэффициентом искажениями. В генераторах на основе фазосдвигающих цепей тоже имеются искажения, но они снижаются на выходе из-за того, что последовательно соединённые RC цепи работают как RC фильтры, уменьшающие искажения. Кроме того, буферированные генераторы на фазосдвигающих цепях имеют низкий уровень искажений, поскольку усиление контролируется и распределяется между буферами.

Большинство схем требуют вспомогательной цепи для регулировки усиления, если нужно  получить сигнал с малыми искажениями. Во вспомогательных цепях могут  использоваться нелинейные компоненты в цепях обратной связи для  автоматической регулировки усиления, или ограничители на резисторах и  диодах. Необходимо также уделить  внимание изменению коэффициента усиления в результате изменений температуры  и допусков компонент, и уровень  сложности схем определяется исходя из требуемой стабильности коэффициента усиления. Чем более стабилен коэффициент  усиления, тем чище будет синусоидальный сигнал на выходе.