- 오실레이터 란?
- RC 발진기 및 위상 :
- RC 발진기 회로를 사용한 위상 편이 :
- 다중 RC 필터 계단식 :
- 트랜지스터가있는 RC 위상 편이 발진기 :
- RC 발진기의 주파수 :
- Op 앰프가있는 RC 위상 편이 발진기 :
오실레이터 란?
발진기는 몇 가지 변수에 따라 진동을 생성하는 기계 또는 전자 구조입니다. 우리 모두는 발진기를 필요로하는 장치, 벽시계 나 손목 시계로 집에있는 전통적인 시계, 다양한 유형의 금속 탐지기, 마이크로 컨트롤러와 마이크로 프로세서가 관련된 컴퓨터는 모두 발진기, 특히주기적인 신호를 생성하는 전자 발진기를 사용합니다.
RC 발진기 및 위상:
RC 오실레이터에 대해 논의하고 위상 편이 오실레이터라고도하므로 위상이 무엇인지에 대한 공정한 이해가 필요합니다. 이 이미지를 참조하십시오:-
위와 같은 정현파를 보면 신호의 시작점이 위상이 0 도라는 것을 분명히 알 수 있으며, 그 후 신호의 모든 피크 포인트가 양에서 0으로, 다시 음의 포인트가되고 0은 각각 90을 나타냅니다. 위상 위치에서도, 180도, 270도 및 360도.
위상은 360도 기준에서 정현파의 전체주기 기간입니다.
이제 더 이상 지체하지 않고 위상 편이가 무엇인지 봅시다 .
0 도가 아닌 정현파 시작점을 이동하면 위상이 이동됩니다. 다음 이미지에서 위상 변화를 이해할 것입니다.
이 이미지에는 두 개의 AC 사인파 신호가 있습니다. 첫 번째 녹색 사인파는 360도 위상이지만 첫 번째 읽기 신호 의 복제 본인 빨간색은 녹색 신호의 위상에서 90 도입니다.
RC 발진기를 사용하여 사인파 신호의 위상을 이동할 수 있습니다.
RC 발진기 회로를 사용한 위상 편이:
RC는 Resistor 및 Capacitor를 나타냅니다. 우리는 단지 하나의 저항과 하나의 커패시터 형성만을 사용하여 위상 편이 저항-커패시터 네트워크를 간단히 형성 할 수 있습니다.
하이 패스 필터 튜토리얼에서 볼 수 있듯이 동일한 회로가 여기에 적용됩니다. 일반적인 RC 위상 시프트 발진기 병렬 저항기와 함께 직렬 커패시터에 의해 생산 될 수있다.
이것은 단극 위상 편이 네트워크입니다. 회로는 패시브 하이 패스 필터와 동일합니다. 이론적 으로이 RC 네트워크에 동 위상 신호를 적용하면 출력 위상이 정확히 90도 이동됩니다.. 그러나 실제로 시도해보고 위상 편이를 확인하면 60도에서 90도 미만의 위상 편이를 달성합니다. 그것은 주파수와 실제로 악영향을 미치는 구성 요소 공차에 따라 다릅니다. 우리 모두는 완벽한 것이 없다는 것을 알기 때문에 실제 소위 또는 예상 값과 현실보다 약간의 차이가 있어야합니다. 온도 및 기타 외부 종속성은 정확한 90도 위상 편이를 달성하는 데 어려움을 야기하며, 일반적으로 45 도는 주파수에 따라 일반적으로 60도를 달성하는 것은 많은 경우에 매우 어려운 작업입니다.
하이 패스 튜토리얼에서 논의한 바와 같이 동일한 회로를 구성하고 동일한 회로의 위상 편이에 대해 조사 할 것입니다.
구성 요소 값과 함께 해당 하이 패스 필터의 회로는 아래 이미지에 있습니다.
이것은 이전의 수동 고역 통과 필터 자습서에서 사용한 예입니다. 4.9KHz의 대역폭을 생성합니다. 코너 주파수를 확인하면 오실레이터 출력에서 위상 각을 확인할 수 있습니다.
이제 우리는 RC 발진기 네트워크에 의한 최대 위상 편이 인 90도에서 시작되는 위상 편이를 볼 수 있지만 코너 주파수 지점에서 위상 편이는 45 도입니다.
이제 위상 편이가 90 도라는 사실을 고려하거나 90도 위상 편이를 생성하는 특별한 방법과 같은 발진기 회로 구조를 선택하면 주파수 안정화 계수가 낮아 회로가 경계 범위에서 내성을 잃게됩니다. 우리가 상상할 수 있듯이 10Hz 이하에서 100Hz까지 곡선이 막 시작된 90도 지점에서 거의 평평합니다. 즉, 부품 공차, 온도, 기타 불가피한 상황으로 인해 발진기의 주파수가 약간 변경되면 위상 편이가 변경되지 않습니다. 그것은 좋은 선택이 아닙니다. 따라서 60도 또는 45 도는 단극 RC 네트워크 발진기에 허용되는 위상 편 이라고 생각 합니다. 주파수 안정성이 향상됩니다.
다중 RC 필터 계단식:
캐스케이드 3 RC 필터:
90도 대신 60도 위상 편이를 달성 할 수 없다는 사실을 고려하여 3 개의 RC 필터 (RC 발진기에 의해 위상 편이가 60 도인 경우)를 계단식으로 연결하거나 4 개의 필터를 직렬로 연결 (위상 변화가 각 RC 발진기에 의해 45도) 180도를 얻습니다.
이 이미지에서 3 개의 RC 오실레이터가 계단식으로 연결되고 60도 위상 편이가 추가 될 때마다 마지막으로 세 번째 단계 이후에 180도 위상 편이를 얻게됩니다.
시뮬레이션 소프트웨어에서이 회로를 구성하고 회로의 입력 및 출력 파형을 확인합니다.
비디오에 들어가기 전에 회로의 이미지를보고 오실로스코프 연결도 볼 수 있습니다.
상단 이미지에서는 100pF 커패시터와 330k 저항 값을 사용했습니다. 오실로스코프는 제 1 극 출력 (B / 청색 채널), (2)를 통해 상기 입력 된 Vsin (A / 옐로우 채널)에 걸쳐 연결되어 ND 극 출력
(C / 레드 채널)과 세번째 전극 (D / 녹색 채널)에 걸쳐 최종 출력.
비디오 에서 시뮬레이션을 보고 첫 번째 극에서 60도, 두 번째 극에서 120도, 세 번째 극에서 180 도의 위상 변화를 볼 수 있습니다. 또한 신호의 진폭은 단계적으로 최소화됩니다.
1 일 극 진폭> 2 극 진폭> 3 극 진폭. 마지막 극점으로 갈수록 신호의 진폭 감소가 감소합니다.
이제 우리는 시뮬레이션 비디오 를 볼 것입니다:-
모든 극이 적극적으로 위상 이동을 변경하고 최종 출력에서 180 도로 이동한다는 것이 명확하게 표시됩니다.
캐스케이드 4 개의 RC 필터:
다음 이미지에서 각각 45도 위상 편이 와 함께 사용되는 4 개의 RC 위상 편이 오실레이터 는 RC 네트워크의 끝에서 180도 위상 편이를 생성합니다.
트랜지스터가있는 RC 위상 편이 발진기:
이것은 모두 RC 발진기의 수동 요소 또는 구성 요소입니다. 180 도의 위상 편이를 얻습니다. 360도 위상 편이를 원하면 추가 180도 위상 편이를 생성 하는 활성 구성 요소가 필요합니다. 이것은 트랜지스터 또는 증폭기에 의해 수행되며 추가 공급 전압이 필요합니다.
이 이미지에서 NPN 트랜지스터 는 180 도의 위상 편이를 생성하는 데 사용되며 C1R1 C2R2 C3R3은 60 도의 위상 지연을 생성합니다. 따라서이 3 개의 60 + 60 + 60 = 180 도 위상 편이를 누적 하면 다른 한편으로 트랜지스터에 의해 또 다른 180도를 추가하여 360도 위상 편이가 생성됩니다. C5 전해 커패시터에서 360도 위상 편이를 얻을 수 있습니다. 이 한 가지 방법의 주파수를 변경하여 커패시터 값을 변경하거나 개별 고정 커패시터를 제거하여 해당 세 극에 걸쳐 가변 사전 설정 커패시터를 개별적으로 사용하려는 경우.
피드백 연결 에너지가 세 극 RC 네트워크를 사용하여 상기 증폭기로 다시 검색한다. 안정적인 포지티브 진동과 사인파 전압을 생성하는 데 필요합니다.
피드백 연결 또는 구성 으로 인해 RC 오실레이터는 피드백 유형 오실레이터 입니다.
1921 년 독일의 물리학자인 Heinrich Georg Barkhausen은 피드백 루프에서 위상 이동 간의 관계를 결정하기 위해 "Barkhausen 기준"을 도입했습니다. 기준에 따라 회로는 피드백 루프 주변의 위상 편이가 360 도의 배수이고 루프의 이득이 1 인 경우에만 진동합니다. 위상 편이가 원하는 주파수에서 정확하고 피드백 루프가 360도 진동을 생성하면 출력은 사인파가됩니다. RC 필터는 이러한 목적을 달성하는 데 사용됩니다.
RC 발진기의 주파수:
다음 방정식을 사용하여 진동 주파수를 쉽게 결정할 수 있습니다.
여기서
R = 저항 (Ohms)
C = 커패시턴스
N = RC 네트워크의 수는 사용됩니다.
이 공식은 고역 통과 필터 관련 설계에 사용되며 저역 통과 필터를 사용할 수도 있으며 위상 편이는 음수입니다. 이 경우 위의 공식은 오실레이터의 주파수를 계산하는 데 작동하지 않으며 다른 공식이 적용됩니다.
여기서
R = 저항 (Ohms)
C = 커패시턴스
N = RC 네트워크의 수는 사용됩니다.
Op 앰프가있는 RC 위상 편이 발진기:
Transistor, 즉 BJT를 사용하여 RC 위상 편이 발진기를 구성 할 수 있기 때문에 Transistor 에도 다른 한계가 있습니다.
- 저주파에서 안정적입니다.
- 단 하나의 BJT 만 사용하면 출력 파형의 진폭이 완벽하지 않으며 파형의 진폭을 안정화하려면 추가 회로가 필요합니다.
- 주파수 정확도는 완벽하지 않으며 잡음이있는 간섭에 영향을받지 않습니다.
- 불리한 로딩 효과. 캐스케이드 형성으로 인해 두 번째 극의 입력 임피던스는 첫 번째 극 필터의 저항 저항 특성을 변경합니다. 필터가 더 많이 계단식으로 연결되면 계산 된 위상 편이 오실레이터 주파수의 정확도에 영향을 미치므로 상황이 악화됩니다.
인해 저항과 커패시터 양단 감쇠, 각 단계에 걸쳐 손실이 증가되고, 전체 손실이 약 1/29의 총 손실이다 번째 입력 신호.
1/29의 회로 감쇠로 일 우리가 손실을 복구해야합니다.
이것은 Op 앰프로 BJT 를 변경할 때 입니다. 또한 BJT 대신 op-amp를 사용하면 네 가지 단점을 복구하고 제어에 더 많은 헤드 룸을 확보 할 수 있습니다. 높은 입력 임피던스로 인해 연산 증폭기 입력 임피던스가 전체 부하 효과를 촉진하기 때문에 부하 효과도 효과적으로 제어됩니다.
이제 더 이상 수정하지 않고 Op-Amp로 BJT를 변경하고 Op-amp를 사용하는 RC 발진기의 회로 또는 회로도를 살펴 보겠습니다.
보시다시피 Just BJT는 반전 된 연산 증폭기로 대체되었습니다. 피드백 루프는 첫 번째 극 RC 발진기에 연결되어 연산 증폭기 반전 입력 핀으로 공급됩니다. 이 역 피드백 연결로 인해 연산 증폭기는 180도 위상 편이를 생성합니다. 3 개의 RC 스테이지에서 추가 180도 위상 편이가 제공됩니다. OSC 출력이라는 이름 의 연산 증폭기 첫 번째 핀을 통해 360도 위상 편이 파형의 원하는 출력을 얻을 수 있습니다. R4는 연산 증폭기의 이득 보상에 사용됩니다. 고주파 발진 출력을 얻기 위해 회로를 조정할 수 있지만 연산 증폭기의 주파수 범위 대역폭에 따라 다릅니다.
또한, 원하는 결과를 얻기 위해, 우리는 달성 이득 저항 R4를 계산해야 29 번째 우리가 1/29의 손실을 보상해야하므로, 연산 증폭기 걸쳐 배인 진폭 번째 RC 스테이지에 걸쳐.
실제 부품 값으로 회로를 만들고 RC 위상 편이 발진기의 시뮬레이션 된 출력이 무엇인지 살펴 보겠습니다.
10k ohms 저항과 500pF 커패시터를 사용하고 발진 주파수를 결정합니다. 이득 저항의 값도 계산합니다.
N = 3, 3 단계가 사용됩니다.
R = 10000, 10k 옴이 옴으로 변환 됨
C = 500 x 10-12 (커패시터 값이 500pF 임)
출력은 12995Hz이거나 상대적으로 가까운 값은 13KHz입니다.
연산 증폭기의 이득이 29 필요할 때 번째 배의 이득 저항 값이 식을 이용하여 계산된다: -
이득 = R f / R 29 = R f / 10k R f = 290k
이것은 RC 구성 요소와 Op-amp를 사용하여 위상 편이 오실레이터를 구성 하는 방법 입니다.
RC 위상 편이 발진기의 애플리케이션 에는 오디오 트랜스포머가 사용되고 차동 오디오 신호가 필요하지만 반전 된 신호를 사용할 수없는 증폭기가 포함됩니다. 또는 AC 신호 소스가 애플리케이션에 필요한 경우 RC 필터가 사용됩니다. 또한 신호 발생기 또는 함수 발생기는 RC 위상 편이 오실레이터를 사용합니다.