< RC 오실레이터 기본사항 >
RC 발진기는 앰프와 RC 피드백 네트워크의 조합을 사용하여 단계 간의 위상 변화로 인한 출력 진동을 생성합니다.
앰프에서 우리는 단일 단계 트랜지스터 앰프가 180도를 생성할 수 있다. 방출형 증폭기로 연결될 때 출력과 입력 신호 사이의 위상 이동과 수집기 부하에 걸쳐 출력 신호는 트랜지스터 베이스에 주입된 입력 신호에 전적으로 의존한다.
그러나 우리는 트랜지스터 (transistor) 네트워크를 트랜지스터 주위에 배치하여 트랜지스터 단계로 구성하여 탱크 회로에 대한 필요없이 필요한 재생 피드백을 제공 할 수 있습니다. 주파수 선택적 RC 결합 앰프 회로는 쉽게 구축할 수 있으며 저항 및 커패시턴스의 적절한 값을 선택하여 원하는 주파수에서 진동할 수 있습니다.
RC 발진기가 진동을 무기한 유지하려면 올바른 위상에 대한 충분한 피드백이 양수(phase) 피드백과 함께 단일 트랜지스터 앰프의 전압 게인과 함께 제공되어야 하며, 진동을 유지하여 진동을 유지하여 선별된 주파수에서 지속적으로 진동할 수 있도록 해야 합니다.
RC 발진기 회로에서 입력은 180도로 이동됩니다. O도 단계 외 및 180도 신호를 반환하는 피드백 회로를 통해 O도를 다시 반전 앰프 단계를 통해 필요한 긍정적인 피드백을 생성합니다. 그러면 "180도"가 됩니다.O도+ 180도 = 360도" 0과 효과적으로 동일한 위상 시프트에 따라서 우리에게 필요한 + 피드백을 제공합니다. 즉, 피드백 루프의 총 위상 이동은 "0"도 또는 360도의 배수여야 합니다. O도의 동일한 효과를 얻으려면 저항-정전용량 발진기 또는 단순히 RC 발진기로 알려진 경우 피드백 분기에 상호 연결된 RC 요소를 사용하여 RC 네트워크에 대한 입력과 동일한 네트워크의 출력 간에 위상 변화가 발생한다는 사실을 활용할 수 있다.
RC 단계 시프트 네트워크
왼쪽의 회로는 출력 전압이 입력 전압을 90도 미만의 각도로 "리드"하는 단일 저항기 커패시터 네트워크를 보여줍니다. 순수하거나 이상적인 단일 극 RC 네트워크에서 정확히 90도의 최대 위상 이동을 생성한다. 180도 진동을 위해서는 위상 이동이 필요하며 RC 발진기 설계 내에서 적어도 두 개의 단일 극 네트워크를 사용해야 합니다.
그러나 실제로는 정확히 90도를 얻기가 어렵습니다. 따라서 진동 주파수에서 필요한 값을 얻기위해 계단식(ㅠ)으로 된 더 많은 RC 발진기를 사용해야하므로 각 RC 단계에 대한 위상 이동이 필요합니다. 회로의 실제 위상 이동량은 상각(φ)을 가진 진동의 선택된 주파수에서 저항기(R) 및 커패시터(C)의 값에 따라 달라집니다.
RC 위상 각도
위치: XC 커패시터의 정전 용량 반응, R은 저항기의 저항이며, θ는 주파수이다.
위의 간단한 예에서 R 및 C의 값이 선택되어 필요한 주파수에서 출력 전압이 약 60도의 각도로 입력 전압이 리드되도록한 다음 각 연속 RC 섹션 사이의 위상 각도가 다른 60도로 증가합니다. 180의 입력과 출력 간의 위상 차이를 제공한다.
벡터 다이어그램
세 개의 RC 네트워크를 연이어 계단식으로 연결하여 180회로의 총 위상 변화를 생성할 수 있습니다.O 선택한 주파수에서 이 것들은 위상 각도가 회로의 각 단계를 통해 양으로 이동함에 따라 위상 시프트 발진기로알려진 "RC 발진기"의 베이스를 형성한다. 그런 다음 위상 변화는 개별 RC 단계 사이의 위상 차이에서 발생합니다. 쿼드 IC 패키지로 편리하게 op-amp 회로를 사용할 수 있습니다. 예를 들어 LM124 또는 LM324 등4개의 RC 단계를 사용하여 필요한 180도를 생성할 수도 있습니다.
양극성 트랜지스터 또는 반전 작동 증폭기 구성을 사용하는 앰프 회로에서 180도의 위상 이동을 생성한다는 것을 알고 있습니다. 입력과 출력 사이에 3단계 RC 위상 전환 네트워크가 증폭기 회로의 출력과 입력 사이의 피드백 네트워크로 연결되어 있는 경우 필요한 재생 피드백을 생성하기 위해 생성된 총 위상 시프트는 (3 x 60도)180도 입니다.O도+180도 = 360도 = 0도를 표시합니다.
세 개의 RC 단계는 안정적인 진동 주파수에 필요한 경사를 얻기 위해 함께 계단식으로 배열됩니다. 피드백 루프 위상 시프트는 -180도 입니다.O도 단계의 위상 이동이 -60인 경우는 ω = 2pθ = 1.732/RC와 같이 발생할 수 있습니다. 그런 다음 RC 발진기 회로에서 필요한 위상 이동을 달성하기 위해 아래 회로와 같은 여러 RC 위상 이동 네트워크를 사용하는 것입니다.
기본 RC 발진기 회로
위상 시프트 발진기라고도하는 기본 RC 발진기는 저항기 커패시터(RC) 래더 네트워크에서 얻은 재생 피드백을 사용하여 사인파 출력 신호를 생성합니다. RC 네트워크에서 이러한 재생 피드백은 커패시터가 전기전하를 저장하는 능력(LC 회로와 유사)에 기인한다.
이러한 저항-커패시터 피드백 네트워크는 상기와 같이 연결하여 선행 위상 시프트(phase advance network)를 생성하거나 뒤쳐지는 위상 시프트(phase 지연 네트워크)를 생성하기 위해 상호 교환될 수 있으며, 그 결과는 여전히 전체 위상 이동이 360인 주파수에서만 발생하는 사인파 진동과 동일합니다.
위상 시프트 네트워크에서 저항기 또는 커패시터 중 하나 이상을 변화시킴으로써, 주파수는 다양할 수 있으며, 일반적으로 이 작업은 저항체를 동일하게 유지하고 정전용량 반응(X)이기 때문에 3갱단 가변 커패시터를 사용하여 수행됩니다. 커패시터가 주파수에 민감한 구성 요소이기 때문에 주파수가 변경되면 변경됩니다. 그러나, 새로운 주파수에 대한 앰프의 전압 게인을 재조정해야 할 수도 있다.
세 저항자가 값이 같으면 R1 = R2 = R3및 커패시터, 위상 시프트 네트워크의 C도 값과 동일하며, C1 = C2 = C3, 그런 다음 RC 발진기에서 생성 된 진동빈도는 다음과 같이 간단히 주어집니다.
- fr 발진기 출력 주파수
- R은 피드백 저항
- C는 피드백 커패시턴스
- N은 RC 피드백 단계의 수
이것은 위상 시프트 회로가 진동하는 주파수입니다. 위의 간단한 예제에서는 RC단계 수가 3개로 제공되므로
N = 3 (√2 *3 = √6). 4 단계 RC 네트워크의 경우 N = 4 (√2 *4 = √8)등
RC 발진기 래더 네트워크의 저항-커패시터 조합도 감쇠기 역할을 하기 때문에, 각 수동 단계를 통과할 때 신호가 어느 정도 감소한다. 3상 시프트 섹션은 서로 독립적이라고 가정할 수 있지만, 3단계 모두에 걸쳐 총 누적 피드백 감쇠가 -1/29th(Vo/Vi = β = -1/29)가 되기 때문에 이 경우는 그렇지 않다. 따라서 증폭기의 전압 게인은 이러한 수동 RC 손실을 극복하기에 충분히 높아야 합니다. 분명히 위의 3 단계 RC 네트워크에서 -1의 총 루프 이득을 생성하기 위해 증폭기 이득은 RC 네트워크의 감쇠를 보상하기 위해 29보다 동일하거나 커야합니다.
피드백 네트워크에 대한 증폭기의 로딩 효과는 진동 빈도에 영향을 미치며 발진기 주파수가 계산된 것보다 최대 25% 더 높을 수 있습니다. 그런 다음 피드백 네트워크는 높은 임피던스 출력 소스에서 구동되어야하며 일반적인 트랜지스터 증폭기와 같은 낮은 임피던스 부하로 공급되어야 하지만 여전히 더 나은 Op-Amp를 사용하는 것입니다
Op-amp RC 발진기
RC 발진기로 사용되는 경우, 운영 증폭기 RC 발진기는 양극성 트랜지스터 대응보다 더 일반적입니다. 발진기 회로는 음수 게인 작동 증폭기와 180을 생성하는 세 섹션 RC 네트워크로 구성됩니다. 위상 이동, 위상 시프트 네트워크는 op-amp 출력에서 아래와 같이 "반전" 입력으로 다시 연결됩니다.
Op-amp 위상 리드 RC 발진기 회로
피드백이 반전 입력에 연결되므로 운영 증폭기가 필요한 180도를 생성하는 "반전 앰프" 구성에 연결됩니다. RC 네트워크가 다른 180도를 생성하는 동안 위상 이동이 필요한 주파수에서 위상 이동(180도 + 180도)은 0도이다. 이러한 유형의 피드백 연결은 계열의 커패시터와 접지(0V) 전위에 연결된 저항기와 위상 납 구성이라고 합니다. 즉, 출력 전압은 입력 전압을 리드하여 양상 각도를 생성합니다.
그러나 RC 구성 요소의 위치를 변경하여 저항기가 연열되고 커패시터가 표시된 대로 접지(0V) 전위와 연결되도록 위상 지연 구성을 만들 수도 있습니다. 즉, 출력 전압은 입력 전압을 지연하여 음의 위상 각도를 생성합니다.
Op-amp 위상 지연 RC 발진기 회로
그러나 피드백 구성 요소의 반전으로 인해 위상 리드 RC 발진기의 주파수 출력에 대한 방정식이 다음과 같은 것으로 수정됩니다.
필요한 180을 제공하기 위해 두 개의 단일 극 RC 단계만 함께 계단식으로 캐스케이드할 수 있지만 위상 시프트(90도 + 90도), 낮은 주파수에서 발진기의 안정성은 일반적으로 좋지 않다.
RC Oscillator의 가장 중요한 기능 중 하나는 다양한 부하 조건에서 일정한 주파수 사인 파 출력을 제공하는 주파수 안정성입니다. 3~ 4개의 RC 스테이지를 함께 계단식으로 연결하여(4 x 45도), 발진기의 안정성이 크게 향상 될 수 있습니다.
일반적으로 사용 가능한 운영 앰프는 쿼드 IC 패키지에 들어오기 때문에 4단계의 RC 발진기가 일반적으로 사용되므로 45개의 4단 발진기를 설계합니다. 서로에 비해 위상 시프트는 비교적 쉽습니다.
RC 발진기는 안정적이며 주파수가 1/RC에 비례하여 잘 형성된 사인파 출력을 제공하므로 가변 커패시터를 사용할 때 더 넓은 주파수 범위가 가능합니다. 그러나 RC 발진기는 높은 주파수에서 원하는 위상 시프트를 생성하기 위해 대역폭 제한으로 인해 주파수 응용 프로그램으로 제한됩니다.
RC 발진기 예제 No1
4kHz의부비동 출력 주파수를 생성하려면 운영 증폭기 기반 3단 RC 위상 시프트 발진기가 필요합니다. 피드백 회로에서 2.4nF 커패시터를 사용하는 경우 진동을 유지하는 데 필요한 피드백 저항기를 결정하는 주파수의 값과 피드백 저항기값을 계산합니다.
위상 이동 RC 발진기에 대해 주어진 표준 방정식은 다음과 입니다.
회로는 따라서 동등한 저항기와 세 동등한 2.4nF 커패시터로 구성된 3 단계 RC 발진기가 될 것입니다. 진동 빈도가 4.0kHz로 제공됨에 따라 저항기의 값은 다음과 같이 계산됩니다.
진동을 유지하기 위해서는 작동 증폭기 이득이 29와 같아야 합니다. 진동 저항기의 저항 값은 6.8kΩ이므로 op-amps 피드백 저항기의 값입니다. RƑ 다음과 같이 계산됩니다.
RC 발진기 Op-앰프 회로
RC 발진기에 대해 알아보았다
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