Генератор со смещением фазы

Генератор со смещением фазы

Классический RC-генератор со смещением фазы показан на рис. 8.7. Выход ОУ связан с тремя фазосмещающими RC-цепочками. Каждая цепочка производит некоторый фазовый сдвиг, и если общий сдвиг фазы, произведенный в трех цепях, равен 180°, могут происходить колебания. Кроме того, требуется выполнение условия |A?|=1. Анализ схемы показывает, что частота колебаний

Рис. 8.7. Генератор со сдвигом фаз

Пусть, например, необходимо получить частоту колебаний f₀=100 Гц при С=0,5 мкФ и R=1,3 кОм. Анализ схемы также показывает, что при этом ?=1/29; следовательно, чтобы возникли устойчивые колебания, величина |A| должна равняться 29. Практически величина |А| должна быть немного больше 29, чтобы компенсировать небольшие различия в параметрах компонентов и эксплуатационных режимах.

В схемах с инвертирующим ОУ величинам вычисляется из выражения:

Поскольку R₁=R, это отношение преобразуется в

и, решая его относительно R_f, мы найдем, что R_f=37,7 кОм. Увеличив это значение на 5%, чтобы учесть ранее упомянутые отклонения, получим R_f=39,58 кОм.

Чтобы определить коэффициент усиления в петле обратной связи, воспользуемся описанной ранее схемой измерения, включив ее в разрыв, отмеченный на рис. 8.7. Таким образом, узел, соответствующий точке разрыва, превратится в два узла. Эти узлы станут узлами с плавающим потенциалом, если не показать их в подсхеме. Поэтому генератор повторно изображен на рис. 8.8, где имеется два узла разрыва: i для входа и o для выхода. Рисунок отражает также обозначения других узлов, необходимых при подготовке входного файла для PSpice. Удобно поместить ОУ в подсхему, как мы уже делали в других примерах. Упрощенная модель ОУ будет иметь такую подсхему:

.subckt iop m р vo; m инвертирующий вход, р неинвертирующий вход

rin m р 1Е6

е vo 0

р m 2Е5

.ends

Рис. 8.8. Генератор со сдвигом фаз с разомкнутой цепью обратной связи 

Следующая часть входного файла вводит схему, показанную на рис. 8.8, показывая точки разрыва, которые позволят вставить измерительную схему. ОУ вызывается из подсхемы командой X. Эта часть входного файла:

.subckt re i о; i и о - точки разрыва схемы

х 2 1 3 iop; команда вызова ОУ

vi 1 0 1V

rf 3 2 39.58k

r1 1 2 1.3k

r2 5 0 1.3k

r3 4 0 1.3k

c1 1 5 0.5uF

c2 5 4 0.5uF

c3 4 3 0.5uF

.ends

Последняя часть входного файла показывает ссылку на подсхему генератора rc и содержит также команды, необходимые, чтобы выполнить измерения в цепи обратной связи. Эта часть содержит команды:

* loop-gain test statements

X TVi TVo re

V TVo TVi AC 1

EVi Vi 0 0 TVi 1

R1 Vi 1 1E6

EVo Vo 0 TVo 0 1

R2 Vo 0 1E6

.AC DEC 20 1Hz 10kHz

.PROBE

.END

Объединив три предшествующих фрагмента, создайте входной файл и проведите анализ. Затем получите график

20·(V(Vi)/V(Vo)).

График показывает разомкнутый коэффициент усиления цепи обратной связи. Не забудьте, что условием поддержания колебаний является |A?|=1. На логарифмическом графике значение соответствует не единице, а нулю. Убедитесь, что при f=100 Гц график дает почти нулевое значение (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика для схемы на рис. 8.8

Теперь получите график сдвига фазы

VP(Vi) – VP(Vo),

который дает частотную зависимость разности фаз сигнала обратной связи и выходного сигнала. Убедитесь, что при f=100 Гц график показывает угол 187°. Так как анализ при разомкнутой петле обратной связи не учитывает инверсии фаз на входе, общий сдвиг фазы при замкнутой петле фактически равен 367°. Это близко к желательному углу 360°, который подразумевал бы, что усилитель не отличает входной сигнал от сигнала обратной связи, и, таким образом, колебания устойчивы. На рис. 8.10 показан график фазового сдвига.

Рис. 8.10. Фазочастотная характеристика для схемы на рис. 8.8