Проведено аналіз коливальних систем генераторів електричних синусоїдальних сигналів на нових підсилювачах, які отримали в зарубіжній літературі назву CFOA операційні підсилювачі з струмового зворотним зв'язком. Показано, що аналіз таких систем, заснований на лінійних моделях підсилювачів, не дозволяє правильно оцінити переваги та недоліки систем, реалізованих на цих підсилювачах. Дослідження систем з урахуванням запропонованої нелінійної моделі підсилювача з струмового зворотним зв'язком показало, що застосування нових підсилювачів не дає істотних переваг практично за всіма параметрами коливань.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Рибін Юрій Костянтинович


Generator oscillation systems of electric sinusoidal signals on new amplifiers have been analyzed. The latter got the name CFOA current feedback operational amplifier in foreign literature. It was shown that such system analysis based on linear models of amplifiers does not allow estimating correctly the advantages and disadvantages of the systems implemented on these amplifiers. The investigation of the systems, subject to the proposed non-linear model of current feedback amplifier, showed that application of the new amplifiers do not give considerable advantages almost in all oscillation parameters.


Область наук:

  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології

  • Рік видавництва: 2011


    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ


    Наукова стаття на тему 'Аналіз коливальних систем генераторів електричних сигналів на нових операційних підсилювачах'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз коливальних систем генераторів електричних сигналів на нових операційних підсилювачах»

    ?УДК 621.373.13

    АНАЛІЗ коливальних систем ГЕНЕРАТОРІВ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ НА НОВИХ операційні підсилювачі

    Ю.К. Рибін

    Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Проведено аналіз коливальних систем генераторів електричних синусоїдальних сигналів на нових підсилювачах, які отримали в зарубіжній літературі назву CFOA - операційні підсилювачі з струмового зворотним зв'язком. Показано, що аналіз таких систем, заснований на лінійних моделях підсилювачів, не дозволяє правильно оцінити переваги та недоліки систем, реалізованих на цих підсилювачах. Дослідження систем сучетом запропонованої нелінійної моделі підсилювача з струмового зворотним зв'язком показало, що застосування нових підсилювачів не дає істотних переваг практично за всіма параметрами коливань.

    Ключові слова:

    Коливальна система, активний елемент, умови балансу амплітуд і балансу фаз, операційний підсилювач з струмового зворотним зв'язком. Key words:

    Oscillation system, active element, condition of balance amplitude and balance phase, current feedback operational amplifier - CFOA.

    Вступ

    В кінці минулого століття на ринку електронних компонентів з'явився новий операційний підсилювач в інтегральному виконанні. Його відмітними особливостями в порівнянні з традиційними операційними підсилювачами є: наявність инвертирующего входу з малим вхідним опором; поява додаткового виходу з великим вихідним опором, розширення частотного діапазону і підвищення швидкості наростання вихідної напруги. Ці підсилювачі отримали назву «операційні підсилювачі з струмового зворотним зв'язком» (current feedback operational amplifier - CFOA). Багатьма фірмами освоєний випуск цих підсилювачів. Прикладами підсилювачів можуть служити AD844, OPA622 і інші. Опис особливостей схемотехніки нових підсилювачів наводиться в матеріалах фірм - виробників [1, 2]. В [3] детально описаний підсилювач OPA622. Природно, поява таких підсилювачів викликало великий інтерес в середовищі розробників електронних пристроїв, наприклад, коливальних систем (КС) генераторів електричних сигналів. З'явилося багато робіт, в основному в зарубіжних журналах, в яких пропонуються різні варіанти КС генераторів синусоїдальних коливань [4, 5]. У них проводиться аналіз умов збудження і встановлення коливань, відзначаються їхні переваги і недоліки.

    З огляду на, що КС є основою будь-якого генератора електричних сигналів, т. К. В ній зароджуються і встановлюються періодичні коливання, і вона визначає їх форму і основні параметри, в даній роботі проведений аналіз КС з урахуванням нелінійних спотворень і частотних властивостей підсилювачів на прикладі двох КС.

    Операційний підсилювач з струмового зворотним зв'язком

    На рис. 1 показана нелінійна еквівалентна схема підсилювача CFOA типу AD844. схема містить

    два повторювача напруги DA1 і DA 2, джерело струму, керований струмом (Итут), RC - ланцюг, що імітує інерційні властивості, і двосторонній обмежувач вихідного напруги. Один з входів (івх1) підсилювача - неинвертирующий з великим вхідним опором (потенційний вхід), а другий (Ц, х2) інвертується - струмовий з малим вхідним опором (Ra). Для відображення різних вхідних опорів в схемі використовується повторювач напруги DA1. Ще однією важливою особливістю цього підсилювача є наявність двох виходів: «токового» виходу (/ вих) і «потенційного» (Цвих). Струм на виході / вих дорівнює вхідному струмі по інвертується входу, завдяки застосуванню в схемі «струмового дзеркала», але обмежений гранично допустимим струмом

    'II ПРИ | А | ^ Imax; '

    1 = j 1max ПРИ I1 > Imax; >

    ГImax ПРИ Ii <-1 max \

    Звичайний потенційний вихід (Ц, их) створений на виході повторювача DA2 після обмежувача вихідної напруги на діодах VD1 і VD2. Особливістю цієї схеми є те, що в ній застосовано обмеження по струму і по напрузі.

    На рис. 2 представлено умовне зображення підсилювача з потенційним (3) і струмовим (2) входами і потенційним (6) і струмовим (5) виходами. Кола зі стрілками біля вхідного і вихідного висновків вказує на струмовий вхід і струмовий вихід. Таке зображення використовується в [3]. В іноземних періодичних виданнях використовується спрощене зображення, наведене на рис. 2, б.

    Новий підсилювач можна використовувати практично у всіх відомих КС, замінюючи в них звичайний підсилювач (VFOA - voltage feedback operational amplifier) ​​на CFOA. Аналіз цих схем можна прово-

    3

    БА1

    ^ Вих 5

    11

    Цвх2 Лвх2

    Итут | !

    2

    п

    I

    БА2

    гт ГП2

    31

    Л З Е Е2

    верб

    1 см.2

    Мал. 7. Нелінійна еквівалентна схема CFOA типу AD844

    х 2

    У 3

    а

    5 2

    б

    Мал. 2. Зображення CFOA на електричних схемах: а) спрощене; б) умовне з цифровим і відповідним літерним позначенням висновків

    дить відомими методами. Інтерес же представляють ті КС, які принципово можуть бути реалізовані тільки на СГОЛ і не можуть бути повторені на звичайних підсилювачах.

    Аналіз коливальних систем на СЮА

    На рис. 3 показані в якості першого прикладу схеми КС генератора на одному підсилювачі. Зокрема, на рис. 3, а, показана схема відомої КС з мостом Вина-Робінсона, виконана на підсилювачі з потенційною зворотним зв'язком КУТ, а на рис. 3, б, наведена нова КС на СГОЛ [4, 5]. З цього малюнка видно, що в новій схемі використовується «струмовий вихід», з'єднаний з висновком 5 мікросхеми. Видно також, що схеми містять різну кількість пасивних елементів. У класичній схемі їх шість, а в новій тільки чотири. Для зміни частоти коливань зазвичай використовують два або навіть чотири перебудовуються елемента (два резистора і (або) два конденсатора), наприклад, здвоєний конденсатор змінної ємності або здвоєний потенціометр. Причому один або обидва конденсатора повинні бути ізольовані від загального проводу. Конденсатори змінної ємності з механічним зміною ємності є громіздкими елементами з великими паразитними ємностями на корпус приладу, що істотно впливає на умови генерації і частоту коливань, особливо в області малих ємностей.

    Цей недолік відноситься і до механічних потенціометрів, також використовуються для перебудови частоти. У новій схемі обидва ці конденсатора або потенціометра можуть бути з'єднані одним з висновків із загальним проводом, що істотно спрощує їх виготовлення і застосування.

    Проведемо аналіз КС рис. 3, б, для визначення умов генерації коливань синусоїдальної форми. Для цього запишемо систему рівнянь КС при ідеальному СГОЛ: і == 1! ^ 2, ПХ = 1Х ^ 1, їх = иу = і ", -1Х = 1г де! Х (р) = К + 1 / рС'! 1 ( р) = К1 / (1 + рС1К ^, р = а + М

    Підставляючи струми 11 і 1Х з першого і другого рівнянь в четвертому з урахуванням третього рівняння, отримаємо ^ 2 (р) -Д (р)] = 0. Після підстановки опорів ланцюга запишемо характеристичне рівняння КС

    р2 Л1С1Л2С2 + р (Л2С2 + Я1С1 - Я2С1) +1 = 0.

    Аналізуючи отримане рівняння, знаходимо умови виконання балансу фаз і балансу амплітуд

    1

    ®о = I = >

    -Ч / ^ 1С1 ^ 1С2

    К2С2 + к.с. - ^? ^ 1 = 0.

    Друга умова - баланс амплітуд виконується при Л1 = Л2 / 2 і С1 = 2С2 і збігається з умовами, отриманими в [4, 5], Очевидно, що баланс фаз і баланс амплітуд залежать від одних і тих же елементом-

    т С1

    т

    З 1

    СГОЛ

    а про

    Мал. 3. Схеми коливальних систем на: а) звичайному підсилювачі УЕОЛ; б) СЕОЛ

    СГОЛ

    Я 1

    З 1

    У - СГОЛ1 У СГОЛ 2 ГЧ.

    X N

    і '2 X

    2

    I I

    а

    Мал. 4. Поліпшені коливальні системи на СЕОЛ: а) спрощена, з ланцюгом зворотного зв'язку?, Б) принципова, на двох СЕОЛ, один з яких використовується в якості цепір [5]

    тов: Яь С1, $ 2 і С2, тому між частотою і амплітудою коливань є зв'язок. При розрахунку необхідно врахувати, що в опір Я1 входить вхідний опір підсилювача Лвх2, а паралельно опору $ 2 включено вихідний опір підсилювача $ і ємність С1 за струмовим виходу г (рис. 1). У цьому випадку коливання будуть не ізохронні, т. К. Нестабільність параметрів елементів буде приводити до одночасних змін амплітуди і частоти коливань.

    Усунути залежність частоти від амплітуди коливань і при цьому застосовувати частотно задають елементи з рівними параметрами можна в поліпшених КС на рис. 4.

    Провівши аналогічні перетворення, як і для схеми на рис. 3, б, отримаємо характеристичне рівняння КС

    р2тСт2С2 + р [Я2С2 + Я1С1 - рЯ2С1] +1 = 0.

    Звідки знайдемо умови балансів амплітуд і фаз

    л / т1С1т1С2 я2С2 + я1С1 -ря2С1 = 0

    де р - коефіцієнт позитивного зворотного зв'язку.

    У цій схемі умови для можливої ​​генерації коливань виконуються при Л1 = Л2 = Л, С1 = С2 = С і? = 2. Тоді частота коливань дорівнює (о0 = 1 / ЯС. Очевидно, що ланцюг р повинна бути активною ланцюгом-підсилювач, і мати коефіцієнт посилення рівним двом. КС з такими параметрами наведена на рис. 4, б. Вона виконана на елементах з рівними параметрами частотно задають елементів, що є її гідністю. у ній баланс амплітуд забезпечується незалежно від балансу фаз опорами додаткових резисторів $ 3 і Л4, між якими в стаціонарному режимі повинно виконуватися співвідношення Л4 = 2Л3. Перевага цієї схеми перед схемою КС на рис. 3, б,

    1

    б

    Мал. 5. Коливальні системи на двох інтеграторах на CFOA: а) класична, б) нова схема

    полягає в тому, що коливання в ній ізохронні, т. к. управління амплітудою коливань не призводить до зміни їх частоти.

    Цікавою видається КС на двох інтеграторах, кожен з яких реалізований на СГОЛ [4, 5]. На рис. 5 показані для прикладу КС на двох інтеграторах: класична і нова схема. Для коректного порівняння обидві схеми виконані на СГОЛ. Умови для виконання балансів амплітуд і фаз для першої схеми відомі. Для другої схеми ці умови нескладно записати на основі передавальних функцій двох частотно залежних активних елементів, реалізованих на підсилювачах БЛ1 і БЛ2.

    г2 (р) _ я2 / (\ + ря2с1) _

    к1 (р) _

    г2 (р) -Я ^ / (1 + радий -Я _ Я

    Я - + Р- ^ 2 ВД

    К2 (Р) _

    ^ 2 (Р) 1

    Я

    РК3С2

    Таким чином, в цій схемі активні лінійні частотно залежні елементи перший (при К2 = Я1 = К) і другий є інтеграторами. Характеристичне рівняння КС і рівняння балансів амплітуд і фаз мають вигляд:

    а (р) _ р2ЯЯ2Я3С1С2 + р [Я - Я1] Я3С1 + я2

    Я

    1

    яяясс Ясс

    Я1- Я2 _ 0.

    Баланс амплітуд в системі виконується за однакової кількості опорів і Л2. У той же час, баланс фаз і, отже, частота в цій схемі не залежить від опору Л2. Це дозволяє управляти амплітудою коливань без зміни частоти за допомогою зміни опору Л2. Одночасно, змінюючи опір Л3, можна управляти частотою коливань без зміни амплітуди, правда, зміна частоти буде залежати від опору резистора по складному закону. Таким чином, в даній схемі є можливість управління умовами збудження коливань і зміни частоти за допомогою різних резисторів, з'єднаних із загальним проводом.

    Проведемо зіставлення КС на предмет реалізації їх потенційних можливостей.

    Схема 5, б, має меншу кількість активних і пасивних елементів. Для її реалізації потрібно тільки два підсилювача і п'ять пасивних елементів, проте треба врахувати, що сьогодні різниця в один підсилювач в інтегральному виконанні і два - три пасивних компонента при побудові промислового генератора, до складу которо-

    го входить до кількох сотень елементів, не істотна. Тим більше, що в схемі 5, а, додатковий підсилювач дає можливість отримати ще один вихід.

    Значно важливішим є порівняння КС за рівнем нелінійних спотворень. Малий рівень нелінійних спотворень наближає вихідна напруга до синусоїдальної формі. Саме, синусоїдальна форма вихідної напруги є тією метою, заради якої і розробляються генератори синусоїдальних коливань. Зменшення нелінійних спотворень в першій схемі досягається завдяки кільком чинникам:

    • відсутності в ній синфазних спотворень, т. К. Вхід підсилювача працює при досить малих сигналах, на відміну від нової схеми, в якій обидва входи підсилювачів знаходяться під напругою рівними вихідним напруженням, що може призводити до появи спотворень. Відомо, що підсилювачі типу Свол мають порівняно малий коефіцієнт придушення синфазного напруги;

    • зменшення впливу повторителей напруг, т. К. Вони охоплені місцевої негативним зворотним зв'язком. Справа в тому, що повторювачі є вихідним каскадом в структурі звичайних підсилювачів з потенційною зворотним зв'язком, тому в першій - класичною схемою вплив їх спотворень на спотворення вихідної напруги ефективно знижується зворотним зв'язком. У новій схемі повторювачі напруги, що входять в структуру Свол, виявляються в контурі позитивного зворотного зв'язку, тому спотворення не придушуються. Для підтвердження цього твердження був

    проведений експеримент по вимірюванню коефіцієнтів вищих гармонік - вихідних інтеграторів. Для експерименту в якості підсилювачів обрані підсилювачі типу Л0844 при напрузі живлення ± 10 В, резистори з опорами 20 кОм і конденсатори з ємністю 0,03285 мкФ. Виміри проведені при частоті 200 Гц і амплітудою вихідного напруги 5 В. В експерименті використано генератор ГС-50 (^<-120 дБ) ірежектор-ний фільтр з частотою режекции 200 Гц. Результати експерименту представлені в табл. 1.

    Таблиця 1. Порівняння інтеграторів по рівню вищих гармонік, дБ

    Коефіцієнти гармонік Интегратор на DA1, R4, C2, рис. 5, а Интегратор на DA2, R3, C2, рис. 5, б

    К2г -85,3 -68,9

    Кзг -90,4 -57,8

    К4г -94,2 -80,5

    Як видно з табл. 1, за рівнем коефіцієнта гармонік явну перевагу має класичний інтегратор. Його спотворення на 14 ... 30 дБ менше.

    Іншою важливою перевагою КС на Свол, яке відзначається в матеріалах фірми - виробника, є їх кращі частотні властивості. Ці підсилювачі при використанні потенційного виходу (вивід 6 на рис. 1) мають широкий діапазон підсилюються частот (до 20 МГц). Подивимося, чи можна реалізувати цю перевагу в КС при використанні струмового виходу.

    Для застосування Свол з струмовим виходом (висновок 5) важливо знати навантажувальну здатність цього виходу. Виробник підсилювача [1] гарантує граничне значення вхідного струму по інвертує х входу не більше 5 мА. Таким же буде значення граничного струму по виходу р Експериментальне дослідження максимального значення вихідного струму по виходу г, при якому настає обмеження сигналу по струму, дає наступні значення: 7 ^ = 2,5 мА при напрузі живлення ± 10 В і 7, ^ = 3,5 мА при ± 15 В. при підключенні до токовому виходу зовнішніх елементів струм в них обмежується саме цими максимальними значеннями. Обмеження по струму призводить до обмеження можливої ​​амплітуди вихідної напруги інтегратора на даній частоті. Розрахуємо залежність амплітуди вихідної напруги інтегратора від частоти коливань. Зв'язок між цими величинами з урахуванням синусоїдальної форми коливань дається формулою 1пш = 2л ^ Сіт. Ця формула пов'язує граничне значення струму, амплітуду вихідної напруги інтегратора, частоту і ємність конденсатора.

    Визначимо за допомогою цієї формули можна, чи реалізувати потенційні частотні властивості підсилювача в схемі інтегратора. За даними виробника [1] на частоті 20 МГц на потенційному виході може бути отримано напруга 20 В пік-пік. При синусоїдальної формі це напруга відповідає подвоєною амплітудою вихідного напруги дорівнює 10 В. Підставами ці значення в останню формулу і визначимо можливе значення ємності конденсатора інтегратора при цій частоті і амплітуді напруги по формулі С = / шк / 2а / ЦТ. Розрахункове значення ємності конденсатора інтегратора одно 5,6 пФ. Це значення занадто мало для частотозадающей ємності і порівняно з вихідною паразитного ємністю струмового виходу (4,5 пФ), тому не може розглядатися як ємність інтегратора. Реальні можливі значення повинні вибиратися з урахуванням допустимої похибки частоти коливань в межах 1.2%, т. Е. В межах 500 пФ. На рис. 6 представлені залежності максимальної амплітуди вихідної напруги від частоти сигналу і ємності інтегратора. За графіками, знаючи значення ємності конденсатора інтегратора і частоту коливань, легко визначити максимально можливе значення амплітуди вихідної напруги. Якщо зменшити амплітуду коливань до рівня 5 В, то можна говорити про граничну частоті коливань тільки близько 200 кГц.

    Таким чином, реалізувати граничні частотні властивості підсилювача в схемах КС на СГОЛ при ємнісний навантаженні струмового виходу і амплітудах вихідних коливань близько 5 В не вдасться.

    ит в 10

    5

    0_

    0,001 0,01 0,1 1 10 / МГц

    Мал. 6. Залежності максимальної амплітуди вихідної напруги від частоти сигналу і ємності інтегратора

    Порівняння основних параметрів КС на двох інтеграторах приведено в табл. 2.

    Таблиця 2. Порівняння схем на двох інтеграторах

    Порівняння коливальних систем

    Параметри Рис. 5, а Рис. 5, б

    Кількість підсилювачів 3 2

    Кількість пасивних елементів 7 5

    Виходи 0 °, -90 °, -180 ° 0 °, 90 °

    Коефіцієнт гармонік, дб - (85 ... 94) - (58.80)

    Частотний діапазон в КС на СРОЛ, МГц до 0,2 до 0,2

    Основна перевага, властиве схемами КС на СГОЛ, яке відзначають автори [4, 5], це можливість з'єднання ЯС елементів управління частотою і амплітудою коливань із загальним проводом. Це, звичайно, важлива перевага, але воно не є сьогодні визначальним, т. К. Час, коли для перебудови частоти використовувалися громіздкі механічні здвоєні конденсатори і потенціометри, вже закінчилося. Сьогодні для управління частотою використовуються ціфроана-лігві перетворювачі і конденсатори з електронним перемиканням, де ця проблема вже не так актуальна.

    висновки

    Застосування підсилювачів з струмового зворотним зв'язком (СГОЛ) в коливальних системах генераторів замість підсилювачів з потенційною зворотним зв'язком призводить до:

    • звуження діапазону частот, що генеруються при

    рівних амплітудах коливань;

    • збільшення похибки частоти коливань;

    • збільшення гармонійних спотворень.

    Коливальна система генератора електричних сигналів з використанням підсилювачів СГОЛ не має істотних переваг, а за рівнем гармонік і частотним властивостям навіть поступається відомим коливальним системам на традиційних підсилювачах.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Analog Devices: 60 MHz, 2000. V / ^ s Monolitic Op Amp AD844. 2011. URL: http://www.analog.com/static/imported-files/da-ta_sheets/AD844.pdf (дата звернення: 01.03.2011).

    2. Burr-Brown: Wide-Bandwidth Operational Amplifier OPA622. 2011. URL: http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/opa622.pdf (дата звернення: 01.03.2011).

    3. Рибін Ю.К. Електронні пристрої. - Томськ: Вид-во «Друкована мануфактура», 2002. - 264 с.

    4. Abuelma atti M.T. Identification of a class of two CFOA - based sinusoidal RC oscillators // Analog Integrated Circuits and Signal Processing. DOI 10.1007 / s10470-010-9497-1.

    5. Soliman A.M. Current feedback operational amplifier based oscillators // Analog Integrated Circuits and Signal Processing. - 2000. -V. 23. - P. 45-55.

    Надійшла 01.03.2011 р.


    Ключові слова: коливальна система /активний елемент /умови балансу амплітуд і балансу фаз /операційний підсилювач з струмового зворотним зв'язком /oscillation system /active element /condition of balance amplitude and balance phase /current feedback operational amplifier cfoa

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити