Rc位相シフト発振器

オシレーターとは何ですか？

発振器は、いくつかの変数に応じて発振を生成する機械的または電子的な構造です。私たちは皆、発振器を必要とするデバイス 、壁掛け時計や腕時計として私たちの家にある 伝統的な時計、さまざまな種類の金属探知機、マイクロコントローラーとマイクロプロセッサーが関与するコンピューターをすべて使用しています。

RC発振器と位相：

RC発振器について説明し、位相シフト発振器とも呼ばれるため、位相とは何かについて公正に理解する必要があり ます。この画像を参照してください：-

このような上記の正弦波を見ると、信号の開始点の位相が0度であることがはっきりとわかります。その後、信号のすべてのピーク点が正から0になり、再び負の点になり、さらに0がそれぞれ90として示されます。位相位置で度、180度、270度、360度。

位相は、360度の基準での正弦波の全サイクル周期です。

さて、さらに遅れることなく、位相シフトとは何かを見てみましょう 。

0度以外の正弦波の開始点をシフトすると、位相がシフトします。次の画像で位相シフトを理解します。

この画像では、2つのAC正弦波が提示されています。最初の緑の正弦波は、位相が360度ですが、最初の 読み取り信号のレプリカである赤い波は、緑の信号の位相から90度ずれています。

RC発振器を使用して、正弦波信号の位相をシフトできます。

RC発振器回路を使用した位相シフト：

RCはResistorandCapacitorの略です 。1つの抵抗と1つのコンデンサの形成だけを使用して、位相シフト抵抗-コンデンサネットワークを簡単に形成できます。

ハイパスフィルターのチュートリアルで見られるように、同じ回路がここに適用されます。 典型的なRC位相シフト発振器は 並列に抵抗器と共に直列のキャパシタによって生産することができます。

これは 単極位相シフトネットワークです。回路はパッシブハイパスフィルターと同じです。理論的には、 このRCネットワーク全体に同相信号を適用すると、出力位相は正確に90度シフトします。。しかし、実際に試して位相シフトを確認すると、60度から90度未満の位相シフトが達成されます。これは、周波数と、実際に悪影響を与えるコンポーネントの許容誤差に依存します。完璧なものは何もないことは誰もが知っているので、実際のいわゆる値または期待値とは実際よりも多少の違いがあるはずです。温度やその他の外部依存性により、正確な90度の位相シフトを達成するのが困難になります。一般に45度が一般的で、周波数によっては60度が一般的であり、90度を達成することは多くの場合非常に困難な作業です。

ハイパスチュートリアルで説明したように、同じ回路を構築し、同じ回路の位相シフトについて調査します。

そのハイパスフィルターの回路とコンポーネント値は次の画像にあります：-

これは、以前のパッシブハイパスフィルターのチュートリアルで使用した例です。4.9KHzの帯域幅を生成します。コーナー周波数をチェックすると、オシレーターの出力での位相角が特定されます。

これで、位相シフトがRC発振器ネットワークによる最大位相シフトである90度から開始されていることがわかりますが、コーナー周波数のポイントでは、位相シフトは45度です。

ここで、位相シフトが90度であるという事実を考慮するか、90度の位相シフトを生成する特別な方法のように発振器回路構造を選択すると、周波数安定化係数が低いため、回路は境界範囲で耐性を失います。想像できるように、10Hz以下から100Hzまでのようにカーブが始まったばかりの90度のポイントはほぼフラットです。つまり、コンポーネントの許容誤差、温度、その他の避けられない状況のために発振器の周波数がわずかに変化した場合、位相シフトは変化しません。それは良い選択ではありません。したがって、60度または45度が単極RCネットワーク発振器の許容可能な位相シフトであると考え ます。周波数安定性が向上します。

複数のRCフィルターのカスケード：

3つのRCフィルターをカスケードします。

90度ではなく60度の位相シフトしか達成できないという事実を考慮すると、3つのRCフィルターをカスケード接続するか（RC発振器によって位相シフトが60度の場合）、4つのフィルターを直列にカスケード接続することができます（位相シフトが各RC発振器で45度）、180度を取得します。

この画像では、 3つのRC発振器がカスケード接続され、60度の位相シフトが追加されるたびに 、最後に3番目のステージの後に180度の位相シフトが得られます。

この回路をシミュレーションソフトウェアで構築し、回路の入力波形と出力波形を確認します。

ビデオに入る前に、回路の画像を見てみましょう。また、オシロスコープの接続も見ていきましょう。

上の画像では、100pFのコンデンサと330kの抵抗値を使用しました。オシロスコープは、第一ポール出力（B /青チャネル）、2横切って、入力VSIN（A /イエローチャネル）の両端に接続されている^ND 極出力

（C /赤チャネル）と第3の磁極（D /緑チャネル）の両端の最終的な出力。

ビデオでシミュレーションを確認し、 最初の極で60度、2番目の極で120度、3番目の極で180度の位相変化を確認します。また、信号の振幅は段階的に最小化されます。

1^回目 のポール振幅>第二ポール振幅>第三極の振幅。最後の極に向かって進むほど、信号の振幅の減少は減少します。

今、私たちはシミュレーションビデオを見るでしょう：-

位相がアクティブに変化するすべての極がシフトし、最終出力で180度にシフトすることが明確に示されています。

カスケード4つのRCフィルター：

次の画像では、それぞれ45度の位相シフトで使用される4つのRC位相シフト発振器 で、RCネットワークの最後に180度の位相シフトを生成します。

トランジスタ付きRC位相シフト発振器：

これはすべて、RC発振器の受動素子またはコンポーネントです。180度の位相シフトが得られます。 360度の位相シフトを行う場合は 、追加の180度の位相シフトを生成するアクティブコンポーネントが必要です。これはトランジスタまたはアンプによって行われ、追加の電源電圧が必要です。

この画像では、 NPNトランジスタ を使用して180度の位相シフトを生成 し、C1R1 C2R2C3R3は60度の位相遅延を生成します。したがって、この3つの60 + 60 + 60 = 180 度の位相シフトを累積 すると、トランジスタによってさらに180度が追加され、合計360度の位相シフトが作成されます。 C5電解コンデンサの両端で360度の位相シフトが得られます。この一方向の周波数を変更してコンデンサの値を変更したり、個々の固定コンデンサを削除して、これら3つの極に個別に可変プリセットコンデンサを使用したりする場合。

フィードバック接続は バックその3極のRCネットワークを使用してアンプにエネルギーを取得するために作られています。安定した正の発振と正弦波電圧の生成が必要です。

フィードバック接続や設定、 RC発振器は、帰還型発振器です。

1921年、ドイツの物理学者ハインリッヒゲオルクバークハウゼンは、フィードバックループ全体の位相シフト間の関係を決定するための「バークハウゼン基準」を導入しました。基準に従って、回路は、フィードバックループの周りの位相シフトが360度以上であり、ループのゲインが1に等しい場合にのみ発振します。位相シフトが目的の周波数で正確であり、フィードバックループが360度の発振を生成する場合、出力は正弦波になります。RCフィルターはこの目的を達成するのに役立ちます。

RC発振器の周波数：

この式を使用して、発振周波数を簡単に決定できます。-

ここで、

R =抵抗（オーム）

C =静電容量

N = RCネットワークの数は/使用されます

この式は、ハイパスフィルター関連の設計に使用されます。ローパスフィルターを使用することもでき、位相シフトは負になります。このような場合、上の式は発振器の周波数の計算には機能しません。別の式が適用されます。

ここで、

R =抵抗（オーム）

C =静電容量

N = RCネットワークの数は/使用されます

オペアンプ付きRC位相シフト発振器：

トランジスタ、すなわちBJTを使用してRC位相シフト発振器を構築できるため、トランジスタには 他の制限 もあります。

1. 低周波数でも安定しています。
2. 1つのBJTだけを使用するだけでは、出力波の振幅は完全ではありません。波形の振幅を安定させるには、追加の回路が必要です。
3. 周波数精度は完全ではなく、ノイズの多い干渉の影響を受けません。
4. 逆荷重効果。カスケード形成により、2番目の極の入力インピーダンスは1番目の極フィルターの抵抗抵抗特性を変更します。カスケードされるフィルターが多いほど、計算された位相シフト発振器周波数の精度に影響を与えるため、状況は悪化します。

抵抗とコンデンサの両端の減衰に起因する、各段階を横切る損失が大きくなり、全損失は1/29の約総損失で^番目の 入力信号の。

1/29の回路が減衰など^番目 我々は損失を回復する必要があります。

これは、オペアンプでBJTを変更するとき です。また、BJTの代わりにオペアンプを使用すると、その4つの欠点を回復し、制御の余裕を増やすことができます。入力インピーダンスが高いため、オペアンプの入力インピーダンスが全体的な負荷効果を促進するため、負荷効果も効果的に制御されます。

それ以上の変更を加えずに、 オペアンプでBJTを変更し、オペアンプ を使用したRC発振器の回路または回路図を見てみましょう。

ご覧のとおり、JustBJTは逆オペアンプに置き換えられました。フィードバックループは、第1極のRC発振器に接続され、オペアンプの反転入力ピンに供給されます。この逆フィードバック接続により、 オペアンプは180度の位相シフトを生成します。追加の180度の位相シフトは、3つのRCステージによって提供されます。 OSCoutという名前のオペアンプの最初のピンを横切る360度の位相シフト波の目的の出力を取得します。 R4は、オペアンプのゲイン補償に使用されます。回路を微調整して高周波発振出力を得ることができますが、オペアンプの周波数範囲帯域幅によって異なります。

また、望ましい結果を得るために、私たちは、達成するためのゲイン抵抗R4を計算する必要がある 29^番目の 我々は1月29日の損失を補償する必要があるとして、オペアンプ全体の倍の振幅を^第 RC段階間。

見てみましょう、実際のコンポーネント値で回路を作成し、RC位相シフト発振器のシミュレートされた出力がどうなるかを見てみましょう。

10kオームの抵抗と500pFのコンデンサを使用して、発振周波数を決定します。ゲイン抵抗の値も計算します。

3段階が使用されるため、N = 3。

R = 10000、10kオームをオームに変換

C = 500 x 10 ^-12、コンデンサ値は500pF

出力は12995Hzであるか、比較的近い値は13KHzです。

オペアンプのゲインが必要なため 、ゲイン抵抗の値の29倍が^次の式を使用して計算されます。

ゲイン= R f / R 29 = R f / 10k R f = 290k

これは、RCコンポーネントとオペアンプを使用して位相シフト発振器を構築する方法 です。

RC位相シフト発振器のアプリケーションには 、オーディオトランスが使用され、差動オーディオ信号が必要であるが反転信号が利用できないアンプが含まれます。または、アプリケーションにAC信号ソースが必要な場合は、RCフィルターが使用されます。また、信号発生器または関数発生器は、RC位相シフト発振器を使用します。