Oscilatoare armonice

Oscilatoare ARMONICE

Scopul lucrarii: familiarizarea studentilor cu oscilatoarele sinusoidale RC realizate cu amplifica­toare operationale.

2. Consideratii teoretice referitoare la oscilatoarele cu amplificatoare operationale

Oscilatoarele armonice sunt destinate generarii unor semnale sinusoidale cu amplitu­dinea si frecventa controlate. Calitatea unui astfel de circuit se apreciaza prin continutul cat mai scazut in armonici superioare. Frecventa de functionare influenteaza mult constructia oscilatoarelor. Oscilatoarele RC cu AO sunt avantajoase in domeniul frecventelor audio si medii, pana la ordinul MHz. Pentru frecvente mai mari sunt necesare oscilatoare LC, sau cu cristale de cuart, de obicei componentele active fiind tranzistoarele discrete. La frecvente foarte mici este necesara sintetiza­rea semnalului sinusoidal prin metode mai complicate, deoarece componentele retelei de filtrare ar trebui sa aiba valori deosebit de mari.

Un procedeu fundamental de obtinere a oscilatiilor sinusoidale controlate este bazat pe reactia pozitiva (Armstrong, 1912). Cunoscand amplificarea unui circuit cu reactie pozitiva

A_r A

in care A este amplificarea caii directe iar β amplificarea caii de reactie, se observa ca A_r > A . Mai mult, atunci cand se indeplineste conditia lui Barkhausen: β A = 1, numitorul se anuleaza si ampli­ficarea tinde spre infinit. Relatia lui Barchausen este echivalenta cu urmatoarele conditii:

A

φ_A + φ_β = -2 k p (k numar intreg)

In acest fel chiar daca circuitul nu are la intrare nici un semnal, el va putea genera sem­nale de iesire. Si reactia negativa poate atinge conditia lui Barkhausen (in acest caz defazajele cumu­late φ_A + φ_β trebuie sa ajunga la -p

Pe langa reactia pozitiva mai trebuie asigurata filtrarea frecventei de oscilatie dorite si sta­bilizarea amplitudinii semnalului obtinut. Filtrarea este relativ simpla, fiind obtinuta prin retele RC cu diferite configuratii. Una dintre retelele des folosite este reteaua Wien.

R₁ C₁

u_i C₂ R₂ u₀

Figura 3.1 Retea Wien

De obicei se prefera alegerea valorilor astfel ca R₁ = R₂ = R respectiv C₁ = C₂ = C, caz in care amplificarea retelei devine

Aceasta caracteristica este de tip trece banda cu pulsatia de rezonanta ω₀ = 1/(RC), res­pectiv frecventa de rezonanta f₀ = 1/(2pRC). In cazul in care inversam reteaua considerand ten­siunea de iesire cea a gruparii R₁-C₁, caracteristica rezulta de tip opreste banda, cu aceeasi frec­venta de rezonanta. Tinand seama de aceasta, conectarea retelei la AO se poate face fie pe calea de reactie negativa, fie pe calea de reactie pozitiva.

R

R₂

R₁ R C C

u₀ u₀

R C R₂

C R R₁

a) Oscilator cu retea Wien pe reactia pozitiva b) Oscilator cu retea Wien pe reactia negativa

Figura 3.2 Oscilatoare cu retea Wien

In varianta a) reactia pozitiva este selectiva, avand maximul pentru f₀. In varianta b) reac­tia negativa este de tip opreste banda, rejectand frecventele diferite de f₀. Divizoarele de ten­siune R₁-R₂ (care pot include si potentiometre) permit ajustarea caracteristicilor de frecventa astfel incat amplitudinea u₀ sa nu fie prea mare, pentru a nu se produce distorsiuni. Altfel spus, conditia de oscilatie trebuie sa fie indeplinita doar in vecinatatea apropiata a frecventei de rezonanta f₀. In ambele cazuri putem considera ca cele doua retele pasive formeaza o punte Wien, intrarile AO fiind conectate in diago­nala puntii.

Sa consideram de exemplu cazul a). Cunoscand ca atunci cand nu este saturat, AO func­tio­neaza cu intrarile la acelasi potential, rezulta relatiile care definesc raportul necesar dintre R₁-R₂ pentru amorsarea oscilatiilor:

R₁/(R₁ + R₂) = 1/3 T R₂ = 2R₁

In acest caz amplificarea retelei de reactie pozitiva este =1/3 iar amplificarea caii directe trebuie sa fie exact A = 1/β = 3. Pentru amorsarea sigura a oscilatiilor ar trebui sa avem insa A > 3. Dupa amorsarea oscilatiilor este insa necesara scaderea valorii A exact la 3, deoarece o valoare mai mare ar antrena, prin reactie pozitiva, cresterea progresiva a iesirii pana la satura­rea AO. Pe de alta parte, in cazul A < 3 oscilatia s-ar amortiza pana la disparitie. Rezulta necesi­tatea controlului automat al amplitudinii semnalului rezultat.

Exista doua categorii mari de circuite de sta-bilizare a oscilatiilor: circuite stabilizate parametric si circuite cu stabilizare activa.

In figura 3.3 este prezentata o varianta de stabilizare parametrica prin rezistenta suplimentara R₃ si diodele conectate antiparalel D₁ si D₂. Cand semnalul de iesire este mic diodele sunt blocate, rezistenta R₃ izolata si amplificarea caii directe mai mare de 3. Cand oscilatia a fost amorsata, daca amplitudinea creste suficient de mult ca sa produca deschiderea diodelor, rezistenta R₃ intervine in cir-cuit in paralel cu R₃ scazand amplificarea directa si nivelul semnalului.

Stabilizarea activa presupune circuite mai complicate cu amplificatoare de eroare si elemente de executie de exemplu cu tranzistoare cu efect de camp cu rol de rezistenta controlata (in locul lui R₃).