Con respecto al oscilador de cambio de fase RC

He estado estudiando osciladores de cambio de fase RC y tengo las siguientes preguntas:

  • ¿Por qué se detiene la oscilación cuando la ganancia de bucle es inferior a 1 y por qué se observa recorte cuando la ganancia de bucle supera 1?

Según tengo entendido, el recorte se produce porque un voltaje demasiado alto lleva al dispositivo a la región no lineal y, por lo tanto, al recorte. Por favor corrígeme si estoy equivocado. No tengo ni idea de por qué una ganancia de bucle inferior a la unidad detiene la oscilación.

  • ¿Qué red de cambio de fase se prefiere, red RC de paso bajo o red RC de paso alto?

Dado un oscilador de cambio de fase RC, el filtro de paso bajo haría el mismo trabajo que un filtro de paso alto. Entonces, ¿cuál sería el preferido?

  • La frecuencia de oscilación viene dada por la fórmula

    y la fórmula de cambio de fase está dada por

Si sustituimos el valor de la frecuencia en la fórmula de cambio de fase para encontrar phi, obtenemos 67,79 grados, lo que significa que el cambio de fase total será de 203,37 grados, que no es el valor de cambio de fase requerido (requerido es 180 grados). ¿Cómo es que el circuito todavía produce oscilaciones?

Respuestas (2)

La teoría de sistemas proporciona una respuesta a la pregunta (ubicación de los polos, factor de calidad, solución en el dominio del tiempo,...).

Sin embargo, sin profundizar en la teoría de sistemas, las preguntas se pueden responder de la siguiente manera:

A.) Ganancia de bucle LG=1 significa que la amortiguación en la ruta de realimentación está completamente compensada por la ganancia del elemento activo dentro del bucle. Eso significa: la señal de entrada Vin del amplificador produce una señal de amplificador en la salida Vout que será atenuada por la red de retroalimentación exactamente hasta el nivel Vin. (El amplificador produce su propia señal de entrada junto con la ruta de retroalimentación). Sin embargo, esto debe aplicarse a una sola frecuencia solamente.

(a) Tenga en cuenta que LG=1 significa: |LG|=1 y fase(LG)=0

(b) Para LG<1, la ganancia no es lo suficientemente grande para compensar la atenuación de la ruta de retroalimentación, y la amplitud de oscilación (si existe) disminuirá continuamente.

(c) Para LG>1 ocurrirá lo contrario y la amplitud aumentará continuamente hasta quedar limitada por el hardware (voltaje de alimentación).

(d) Muy a menudo, no se desea una limitación tan estricta (distorsión armónica) y se utiliza un elemento no lineal adicional para la "limitación suave" (diodos, FET como resistencia controlable).

B.) Paso bajo vs paso alto .

Como siempre en electrónica, cada solución tiene algunas ventajas y algunas desventajas. Por lo tanto, dependiendo de algunos requisitos orientados a la aplicación, es necesaria una compensación.

(a) Tres secciones RC de paso bajo: El paso bajo proporciona atenuación de los armónicos producidos en el amplificador. Sin embargo, la resistencia de entrada Ro del amplificador inversor carga la última sección RC y debe incluirse en el cálculo.

Solución : (1) Ro>>R, (2) Amplificador de búfer adicional, (3) Mejor solución: solo dos secciones RC y un integrador inversor en lugar de un inv. amplificador.

(b) Tres secciones de paso alto CR: La última resistencia (puesta a tierra) (Ro) se puede combinar con la resistencia de entrada del siguiente amplificador inversor (ganancia: - Rf/Ro). Por lo tanto, no hay error de carga causado por el amplificador. Sin embargo, la red de paso alto es sensible al ruido y no puede amortiguar los armónicos.

C.) Con respecto a la fase : se requieren tres secciones RC (resp. CR) para permitir un cambio de fase total de 180 grados en una sola frecuencia finita (el amplificador inversor proporciona un cambio de fase adicional de 180 grados para cumplir con el criterio de oscilación con 360 grados). No está permitido utilizar una fórmula que se aplique a una única etapa sin carga únicamente. Ni siquiera podemos decir que cada sección proporcionaría 60 grados al cambio de fase general de 180 grados. Esto solo sería cierto en caso de aislar las secciones entre sí.

Excelente respuesta Gracias por tomarse el tiempo para escribir esta larga respuesta. ¿Quiere decir que el cambio de fase que ofrece cada red varía porque se cargan de manera diferente entre sí?
La cadena de tres unidades RC debe considerarse como una sola red que tiene ciertas propiedades dependientes de la frecuencia: amortiguación de amplitud y cambio de fase. Por lo tanto, no tiene sentido dividirlo en tres bloques separados porque las funciones de transferencia de cada bloque no serían independientes de las impedancias de fuente y carga. Podemos calcular la función de transferencia de toda la red y encontrar la atenuación y la frecuencia donde el cambio de fase total es de 180 grados. - ¿Que más necesitamos?
Entonces, ¿qué indica el cambio de fase correspondiente a la frecuencia de oscilación? Como mostré en la publicación, el cambio de fase resulta ser de 67 grados. ¿Qué indica este 67 grados?
Pregunta: Ha "calculado" un cambio de fase. Puedo preguntarle: ¿Cuál es el significado de este valor? ¿Qué tipo de cambio de fase? ¿Qué circuito pertenece a este cambio de fase de 67 grados? ¿Puedes explicar la fórmula que has utilizado?

Suponga que su circuito debería oscilar a 10,000 Hz. Supondremos un ancho de banda de ruido de 10.000 Hz.

Suponga que la resistencia al ruido efectiva es de 1000 ohmios. Eso sugiere que su piso de ruido aleatorio será de 4 nanovoltios/raíz_cuadrada_hercios, donde raíz_cuadrada_hercios nos recuerda que el voltaje de ruido aumenta en la raíz cuadrada del ancho de banda.

En un ancho de banda de 1 Hz, tendrá alrededor de 4 nanovoltios de ruido RMS.

EN un ancho de banda de 10 Hz, tendrá alrededor de 4 * sqrt (10) = 12 nanoVoltios RMS de ruido.

En un ancho de banda de 100 Hz, alrededor de 4 * sqrt (100) = 40 nanovoltios de ruido.

En un ancho de banda de 1000 Hz, unos 120 nanovoltios

En nuestro supuesto ancho de banda de 10 000 Hz, tendrá alrededor de 4 * sqrt (10 000) = 400 nanovoltios de ruido RMS.

Su oscilador, al encenderse, tendrá este ruido aleatorio de 400 nanovoltios MÁS fallas importantes inducidas por el riel de alimentación como estímulos para el circuito de retroalimentación.

Usando un osciloscopio digital, activado por el riel de alimentación, use un interruptor de rebote bajo en el riel (cualquier interruptor basculante funcionará bien) y registre la acumulación de oscilación, como la aleatoriedad del ruido y el (posiblemente un gran pico de VDD onset) se modifica por el requisito de oscilación:

1) exactamente un cambio de fase de 360 ​​grados alrededor del bucle

2) al menos una ganancia de voltaje de 1.0000

Divertirse.

@analogsystemsrf... Supongo que está hablando de "ganancia de bucle" (al menos 1.0000), ¿correcto?
Con respecto al oscilador de cambio de fase RC
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