Генератор фазового сдвига

Генератор с фазовым сдвигом — это линейная электронная схема генератора, которая выдает на выходе синусоидальную волну . Он состоит из инвертирующего усилителя , такого как транзистор или операционный усилитель , выходной сигнал которого возвращается на вход через фазосдвигающую цепь, состоящую из резисторов и конденсаторов в лестничной схеме . Схема обратной связи «смещает» фазу выходного сигнала усилителя на 180 градусов на частоте колебаний, чтобы обеспечить положительную обратную связь . Генераторы с фазовым сдвигом часто используются на звуковой частоте в качестве генераторов звука .

Фильтр создает фазовый сдвиг, который увеличивается с частотой . Он должен иметь максимальный сдвиг фазы более 180 градусов на высоких частотах, чтобы сдвиг фазы на желаемой частоте колебаний мог составлять 180 градусов. Наиболее распространенная фазосдвигающая схема состоит из трех идентичных резисторно-емкостных каскадов, которые создают фазовый сдвиг, равный нулю на низких частотах и ​​270° на высоких частотах.

Первой интегральной схемой был генератор фазового сдвига, изобретенный Джеком Килби в 1958 году.

Реализации

Принципиальная схема генератора фазового сдвига на биполярном транзисторе

Биполярная реализация

На этом схематическом рисунке показан генератор, использующий общим эмиттером с биполярный транзистор в качестве усилителя . Два резистора R и три конденсатора C образуют RC-цепь фазового сдвига , которая обеспечивает обратную связь от коллектора к базе транзистора. Резистор R _b обеспечивает ток смещения базы. Резистор R _c представляет собой нагрузочный резистор коллектора для тока коллектора. Резистор R _s изолирует схему от внешней нагрузки.

Принципиальная схема генератора фазового сдвига на JFET

реализация полевого транзистора

Эта схема реализует генератор с полевым транзистором . R ₁ , R ₂ , R _s и C _s обеспечивают смещение транзистора. Обратите внимание, что топология, используемая для положительной обратной связи, представляет собой обратную связь по напряжению.

Реализация операционного усилителя

Принципиальная схема фазовращательного генератора на операционном усилителе

В реализации фазосдвигающего генератора, показанной на схеме, используется операционный усилитель (ОУ), три конденсатора и четыре резистора .

Уравнения моделирования схемы для частоты колебаний и критерия колебаний сложны, поскольку каждая RC-ступень нагружает предыдущие. Если предположить, что усилитель идеальный, с очень низким выходным сопротивлением и очень высоким входным сопротивлением, частота колебаний составит:

$f_{\mathrm {oscillation} }={\frac {1}{2\pi {\sqrt {R_{2}R_{3}(C_{1}C_{2}+C_{1}C_{3}+C_{2}C_{3})+R_{1}R_{3}(C_{1}C_{2}+C_{1}C_{3})+R_{1}R_{2}C_{1}C_{2}}}}}$

Резистор обратной связи, необходимый для поддержания колебаний, равен:

${\begin{aligned}R_{\mathrm {fb} }=&2(R_{1}+R_{2}+R_{3})+{\frac {2R_{1}R_{3}}{R_{2}}}+{\frac {C_{2}R_{2}+C_{2}R_{3}+C_{3}R_{3}}{C_{1}}}\\&+{\frac {2C_{1}R_{1}+C_{1}R_{2}+C_{3}R_{3}}{C_{2}}}+{\frac {2C_{1}R_{1}+2C_{2}R_{1}+C_{1}R_{2}+C_{2}R_{2}+C_{2}R_{3}}{C_{3}}}\\&+{\frac {C_{1}R_{1}^{2}+C_{3}R_{1}R_{3}}{C_{2}R_{2}}}+{\frac {C_{2}R_{1}R_{3}+C_{1}R_{1}^{2}}{C_{3}R_{2}}}+{\frac {C_{1}R_{1}^{2}+C_{1}R_{1}R_{2}+C_{2}R_{1}R_{2}}{C_{3}R_{3}}}\end{aligned}}$

Уравнения становятся проще, если все резисторы (кроме резистора отрицательной обратной связи ) имеют одинаковое значение и все конденсаторы имеют одинаковое значение. На схеме, если R ₁ = R ₂ = R ₃ = R и C ₁ = C ₂ = C ₃ = C , то:

$f_{\mathrm {oscillation} }={\frac {1}{2\pi RC{\sqrt {6}}}}$

а критерий колебаний:

$R_{\mathrm {fb} }=29\cdot R$

Как и в случае с другими генераторами с обратной связью, когда к цепи подается питание, тепловой электрический шум в цепи или переходный процесс при включении обеспечивают начальный сигнал для начала генерации. На практике резистор обратной связи должен быть немного больше, чтобы амплитуда колебаний росла, а не оставалась прежней (маленькой). Если бы усилитель был идеальным, то амплитуда возрастала бы без ограничений, но на практике усилители нелинейны, и их мгновенный коэффициент усиления варьируется. По мере увеличения амплитуды насыщение усилителя будет уменьшать средний коэффициент усиления усилителя. Следовательно, амплитуда колебаний будет продолжать увеличиваться до тех пор, пока среднее усиление контура схемы не упадет до единицы; в этот момент амплитуда стабилизируется.

усилителя Когда частота колебаний достаточно высока и приближается к частоте среза , усилитель сам вносит значительный вклад в фазовый сдвиг, который увеличивает фазовый сдвиг цепи обратной связи. Следовательно, схема будет колебаться с частотой, при которой фазовый сдвиг фильтра обратной связи составляет менее 180 градусов.

Схема с одним операционным усилителем требует относительно высокого коэффициента усиления (около 30) для поддержания колебаний из-за того, что RC-секции нагружают друг друга. Если бы каждый сегмент RC не влиял на другие, для генерации было бы достаточно усиления примерно от 8 до 10. Изолированную версию генератора можно создать, вставив буфер операционного усилителя между каждым RC-каскадом (это также упрощает уравнения моделирования).

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с генераторами с фазовым сдвигом, на Викискладе?