RC Osilatör Devresi

RC Osilatörleri, aşamalar arasındaki faz kayması nedeniyle çıkış salınımları üretmek için bir amplifikatör ve bir RC geri besleme ağı kombinasyonunu kullanır.

Amplifikatör eğitimlerinde, tek kademeli bir transistör amplifikatörünün, ortak emitör tipi bir amplifikatör olarak bağlandığında çıkış ve giriş sinyalleri arasında 180o faz kayması üretebildiğini ve kollektör yükü boyunca çıkış sinyalinin tamamen içine enjekte edilen giriş sinyaline bağlı olduğunu gördük.

Ancak, bir tank devresine ihtiyaç duymadan gerekli rejeneratif geri beslemeyi sağlamak için transistörün etrafına direnç-kapasitör (RC) ağları yerleştirerek transistör aşamalarını osilatör olarak çalışacak şekilde yapılandırabiliriz. Frekans seçici RC kuplajlı amplifikatör devrelerinin yapımı kolaydır ve uygun direnç ve kapasitans değerleri seçilerek istenilen herhangi bir frekansta salınım yapılabilir.

Bir RC osilatörünün salınımlarını süresiz olarak sürdürmesi için, doğru fazın yeterli geri beslemesi, yani pozitif (faz içi) Geri besleme, kapalı devreye yeterli döngü kazancı enjekte etmek için kullanılan tek transistör yükselticinin voltaj kazancı ile birlikte sağlanmalıdır. Seçilen frekansta sürekli olarak salınmasına izin veren salınımları korumak için döngü devresi.

Bir RC Osilatör devresinde giriş, gerekli pozitif geri beslemeyi üretmek için sinyali faz dışı döndüren geri besleme devresi boyunca 180o ve bir ters çeviren amplifikatör aşaması aracılığıyla tekrar 180o ye kaydırılır. Bu bize daha sonra 0o ile aynı olan “180o + 180o = 360o” faz kaymasını verir ve böylece bize gerekli pozitif geri bildirimi verir. Başka bir deyişle, aynı etkiyi elde etmek için geri besleme döngüsünün toplam faz kayması “0o” veya 360o‘nin herhangi bir katı olmalıdır.

Direnç-Kapasitans Osilatöründe kısaca RC Osilatöründe, bir RC ağına giriş ile aynı ağdan gelen çıkış arasında geri besleme dalında birbirine bağlı RC elemanları kullanarak bir faz kayması meydana gelmesi gerçeğinden yararlanabiliriz, Örneğin:

Soldaki devre, çıkış voltajı giriş voltajını 90o‘den daha az bir açıyla “yönlendiren” tek bir direnç-kapasitör ağını göstermektedir. Saf veya ideal bir tek kutuplu RC ağında. tam olarak 90o maksimum faz kayması üretecektir ve salınım için 180o faz kayması gerektiğinden, bir RC osilatör tasarımında en az iki tek kutuplu ağ kullanılmalıdır.

Ancak gerçekte her RC aşaması için tam olarak 90o faz kayması elde etmek zordur, bu nedenle salınım frekansında gerekli değeri elde etmek için birlikte kademeli olarak daha fazla RC aşaması kullanmalıyız. Devredeki gerçek faz kaymasının miktarı, seçilen salınım frekansında direnç (R) ve kapasitörün (C) değerlerine bağlıdır ve faz açısı ( φ ) şu şekilde verilir:

RC Faz Açısı

Burada: XC, kapasitörün kapasitif reaktansıdır, R, direncin Direncidir ve ƒ, Frekanstır.

Yukarıdaki basit örneğimizde, R ve C değerleri, gerekli frekansta çıkış voltajı giriş voltajını yaklaşık 60o‘lik bir açıyla yönlendirecek şekilde seçilmiştir. Ardından, birbirini izleyen her bir RC bölümü arasındaki faz açısı, aşağıdaki vektör diyagramında gösterildiği gibi, giriş ve çıkış arasında 180o (3 x 60o) faz farkı vererek 60o daha artar.

Vektör Diyagramı

Böylece, bu tür üç RC ağını seri olarak bir araya getirerek, seçilen frekansta devrede 180o‘luk bir toplam faz kayması üretebiliriz ve bu, faz açısı kaydırıldığında Faz Kaydırma Osilatörü olarak bilinen bir “RC Osilatörünün” temellerini oluşturur. Ardından, bireysel RC aşamaları arasındaki faz farkıyla faz kayması meydana gelir. Uygun op-amp devreleri, dörtlü entegre paketlerinde mevcuttur. Örneğin, LM124 veya LM324, vb. böylece gerekli salınım frekansında gerekli 180o faz kaymasını üretmek için dört RC aşaması da kullanılabilir.

Bipolar transistör veya tersine çeviren opamp konfigürasyonu kullanan bir amplifikatör devresinde, girişi ve çıkışı arasında 180o‘lik bir faz kayması üreteceğini biliyoruz. Üç aşamalı bir RC faz kaydırma ağı, bir amplifikatör devresinin çıkışı ve girişi arasında bir geri besleme ağı olarak bağlanırsa, gerekli rejeneratif geri beslemeyi üretmek için oluşturulan toplam faz kayması: 3 x 60o + 180o = 360o = 0o olarak gösterilir.

Kararlı bir salınım frekansı için gerekli eğimi elde etmek için üç RC aşaması birlikte basamaklandırılır. Her bir aşamanın faz kayması -60o olduğunda geri besleme döngüsü faz kayması -180o‘dur. Bu, jω = 2piƒ = 1/1.732RC olarak (tan 60o = 1.732) olduğunda oluşur. Daha sonra, bir RC osilatör devresinde gerekli faz kaymasını elde etmek için aşağıdaki devre gibi çoklu RC faz kaydırma ağları kullanmak gerekir.

Faz kaydırmalı osilatör olarak da bilinen temel RC Osilatörü, direnç-kapasitör (RC) merdiven ağından elde edilen rejeneratif geri beslemeyi kullanarak sinüs dalgası çıkış sinyali üretir. RC ağından gelen bu rejeneratif geri besleme, kapasitörün bir elektrik yükünü depolama yeteneğinden kaynaklanmaktadır (LC tank devresine benzer şekilde).

Bu direnç-kapasitör geri besleme ağı, önde gelen bir faz kayması (faz ilerleme ağı) üretmek için yukarıda gösterildiği gibi bağlanabilir veya gecikmeli bir faz kayması (faz geciktirme ağı) üretmek için değiştirilebilir.

Faz kayması ağındaki bir veya daha fazla direnç veya kapasitör değiştirilerek, frekans değiştirilebilir ve genellikle bu, dirençleri aynı tutarak ve kapasitif reaktans (XC) bir ile değiştiği için 3-lü değişken kapasitör kullanılarak yapılır.

Üç direnç, R değer olarak eşitse, yani R1 = R2 = R3 ve kapasitörler, faz kaydırma ağındaki değerde eşitse, C1 = C2 = C3, o zaman RC tarafından üretilen salınımların frekansı osilatör basitçe şu şekilde verilir:

Burada:
ƒr, Hertz cinsinden osilatör çıkış frekansıdır
R, Ohm cinsinden geri besleme direncidir
C, Farad cinsinden geri besleme kapasitansıdır
N, RC geri besleme aşamalarının sayısıdır.

Bu, faz kaydırma devresinin salındığı frekanstır. Yukarıdaki basit örneğimizde aşama sayısı üç olarak verilmiştir, yani N = 3 (√(2*3) = √6). Dört aşamalı bir RC ağı için, N = 4 (√(2*4) = √8),

RC Osilatör merdiven ağındaki direnç-kapasitör kombinasyonu aynı zamanda bir zayıflatıcı görevi gördüğünden, yani sinyal her pasif aşamadan geçerken bir miktar azalır. Üç faz kaydırma bölümünün birbirinden bağımsız olduğu varsayılabilir, ancak toplam birikmiş geri besleme zayıflaması üç aşamada da -1/29’uncu (Vo/Vi = β = -1/29) olduğu için durum böyle değildir. Bu nedenle, amplifikatörün voltaj kazancı, bu pasif RC kayıplarının üstesinden gelmek için yeterince yüksek olmalıdır. Açıkça o zaman, yukarıdaki üç aşamalı RC ağımızda toplam -1 döngü kazancı üretmek için, RC ağının zayıflamasını telafi etmek için amplifikatör kazancının da 29’a eşit veya daha büyük olması gerekir.

Amplifikatörün geri besleme ağı üzerindeki yükleme etkisi, salınımların frekansı üzerinde bir etkiye sahiptir ve osilatör frekansının hesaplanandan %25’e kadar daha yüksek olmasına neden olabilir. Daha sonra geri besleme ağı, yüksek empedanslı bir çıkış kaynağından çalıştırılmalı ve ortak bir yayıcı transistör amplifikatörü gibi düşük empedanslı bir yükle beslenmelidir, ancak daha iyisi, bu koşulları mükemmel bir şekilde karşıladığı için bir İşlemsel Yükselteç yani OPAMP kullanmaktır.

OPAMP Kullanan RC Osilatör Devresi

RC osilatörleri kullanıldığında, Operasyonel Amplifikatör Kullanılan RC Osilatörleri, bipolar transistör muadillerinden daha yaygındır. Osilatör devresi, bir negatif kazançlı işlemsel yükselteç ve 180o faz kaymasını üreten üç bölümlü bir RC ağından oluşur. Faz kaydırma ağı, op-amp çıkışından aşağıda gösterildiği gibi “ters çevirme” girişine bağlanır.

Op-amp Fazlı RC Osilatör Devresi

Geri besleme ters çeviren girişe bağlı olduğundan, işlemsel yükselteç bu nedenle gerekli 180o faz kaymasını üreten “ters çeviren yükseltici” konfigürasyonuna bağlanırken RC ağı gerekli frekansta (180o + 180o) diğer 180o faz kaymasını üretir. Seri bağlı kapasitörler ve toprak (0V) potansiyeline bağlı dirençlerle yapılan bu tür geri besleme bağlantısı, fazkonfigürasyonu olarak bilinir. Başka bir deyişle, çıkış voltajı, pozitif bir faz açısı üreten giriş voltajına öncülük eder.

Ancak, dirençlerin seri olarak bağlanması ve kapasitörlerin gösterildiği gibi toprak (0V) potansiyeline bağlanması için RC bileşenlerinin konumlarını basitçe değiştirerek bir faz gecikmeli konfigürasyon da oluşturabiliriz. Bu, çıkış voltajının giriş voltajının gerisinde kaldığı ve negatif bir faz açısı ürettiği anlamına gelir.

Faz Gecikmeli OPAMP RC Osilatör Devresi

Bununla birlikte, geri besleme bileşenlerinin tersine çevrilmesi nedeniyle, RC osilatörünün frekans çıkışı için orijinal denklem şu şekilde değiştirilir:

Gerekli 180o faz kaymasını (90o + 90o) sağlamak için sadece iki tek kutuplu RC aşamasını birlikte basamaklandırmak mümkün olsa da, düşük frekanslarda osilatörün kararlılığı genellikle zayıftır.

Bir RC Osilatörünün en önemli özelliklerinden biri, değişen yük koşulları altında sabit frekans sinüs dalgası çıkışı sağlama yeteneği olan frekans kararlılığıdır. Üç hatta dört RC aşamasını (4 x 45o) birlikte basamaklayarak, osilatörün kararlılığı büyük ölçüde iyileştirilebilir.

Dört aşamalı RC Osilatörleri genellikle kullanılır, çünkü yaygın olarak bulunan işlemsel yükselteçler dörtlü IC paketlerinde gelir, bu nedenle birbirine göre 45o faz kayması olan 4 aşamalı bir osilatör tasarlamak nispeten kolaydır.

RC Osilatörleri kararlıdır ve frekansı 1/RC ile orantılı olan iyi şekillendirilmiş bir sinüs dalgası çıkışı sağlar ve bu nedenle değişken bir kapasitör kullanıldığında daha geniş bir frekans aralığı mümkündür. Bununla birlikte, RC Osilatörleri, yüksek frekanslarda istenen faz kaymasını üretmek için bant genişliği sınırlamaları nedeniyle frekans uygulamalarıyla sınırlıdır.

RC Osilatör Örneği 1

4 kHz’lik bir sinüzoidal çıkış frekansı üretmek için işlemsel bir amplifikatör tabanlı 3 aşamalı RC Faz Kaydırmalı Osilatör gereklidir. Geri besleme devresinde 2.4nF kapasitörler kullanılıyorsa, frekans belirleme dirençlerinin değerini ve salınımları sürdürmek için gereken geri besleme direncinin değerini hesaplayın. Ayrıca devreyi çizin.

Faz kaydırmalı RC Osilatörü için verilen standart denklem şudur:

Devre, bu nedenle eşit dirençlerden ve üç eşit 2.4nF kapasitörden oluşacak olan 3 aşamalı bir RC osilatörü olacaktır. Salınım frekansı 4.0kHz olarak verildiğinden dirençlerin değeri şu şekilde hesaplanır:

Salınımları sürdürmek için işlemsel yükselteç kazancı 29’a eşit olmalıdır. Salınım dirençlerinin direnç değeri 6.8kΩ’dur, bu nedenle op-amp geri besleme direnci Rƒ’nin değeri şu şekilde hesaplanır:

RC Osilatör Op-amp Devresi

Osilatörler hakkında bir sonraki derste, düşük frekanslı sinüsoidal dalga formu üretmek için tank devresi olarak dirençler ve kapasitörler kullanan Wien Bridge Osilatörleri adı verilen başka bir RC Osilatörü tipine bakacağız.