آموزش اسیلاتور فازشیفت RC (BJT و Op-Amp)
در این آموزش، با اصول عملکرد اسیلاتورهای فازشیفت، انواع آنها، کاربردها و نحوه طراحی آنها آشنا میشویم. همچنین نحوه پیادهسازی دو نسخه از RC Phase Shift Oscillator با استفاده از Op-Amp و BJT را بررسی میکنیم، نحوه تنظیم فرکانس نوسان به مقدار دلخواه و در نهایت آزمایش عملی مدار را نشان میدهیم.
اسیلاتور فازشیفت چیست؟
اسیلاتورهای فازشیفت، مدارهای الکترونیکی هستند که سیگنال سینوسی پیوسته با فرکانس مشخص تولید میکنند. این اسیلاتورها در کاربردهایی مانند تولید سیگنال صوتی، مدولاسیون فرکانس و تولید تن استفاده میشوند.
RC Phase Shift Oscillator با استفاده از اصل فازشیفت، یک سیگنال خروجی سینوسی تولید میکند. این مدار شامل یک تقویتکننده با حلقه فیدبک است که شبکهای از مقاومتها و خازنها در آن قرار دارد. شبکه فازشیفت 180 درجه اختلاف فاز در فرکانس نوسان ایجاد میکند و بهره تقویتکننده 180 درجه باقیمانده را برای تحقق نوسان فراهم میکند.
انواع اسیلاتورهای فازشیفت
1. RC Phase Shift Oscillator
یک مدار ساده و کمهزینه است که از سه بخش RC متوالی برای ایجاد فازشیفت استفاده میکند. خروجی تقویتکننده از شبکه RC عبور کرده و هر بخش 60 درجه فازشیفت ایجاد میکند. سه بخش در سری، مجموعاً 180 درجه فازشیفت تولید میکنند که حداقل نیاز برای نوسان است.
2. LC Phase Shift Oscillator
این اسیلاتور از سری القاگرها و خازنها برای ایجاد فازشیفت استفاده میکند. نسبت به RC پایدارتر و دقیقتر است اما پیچیده و گرانتر است. شبکه فیدبک آن شامل سه بخش LC است که هر بخش 60 درجه فازشیفت تولید میکند.
اصول عملکرد مدار شیفت فاز RC
ساختار پایه شامل:
- فیلترهای RC با ترتیب سه مرحله ای
- تقویتکننده با بهره منفی (-K)
نوسان در فرکانسی رخ میدهد که مجموع فازشیفت شبکه RC برابر 180 درجه باشد. بهره منفی تقویتکننده 180 درجه باقیمانده را اضافه میکند و مجموعاً 360 یا 0 درجه میشود که شرط نوسان است.
شرط نوسان پایدار
برای نوسان پایدار، بهره کل حلقه باید بیشتر از 1 باشد. برای شبکه RC سه مرحلهای، بهره بسته تقویتکننده K باید کمی بیشتر از 29 تنظیم شود تا نوسان پایدار در فرکانس Fr حاصل شود.
B = 1/29
دیاگرام مدار RC Phase Shift Oscillator
مدار شامل دو بخش اصلی است:
فیلترهای RC سه مرحلهای
- با انتخاب مقادیر R و C میتوان فرکانس خروجی دلخواه را تعیین کرد.
تقویتکننده با بهره منفی
- میتواند با Op-Amp یا BJT ساخته شود.
- مقدار بهره K باید دقیقاً تنظیم شود تا نوسان پایدار ایجاد شود.
فرمول اسیلاتور فاز شیفت
برای حفظ نوسان پایدار:
K > 29 (برای شبکه ۳ مرحلهای RC)
فرکانس خروجی برای شبکه 3 مرحلهای:
Fr = 1 / (2πRC√6)
این فرمول فقط برای شبکه 3 مرحلهای معتبر است. برای شبکههای با مرتبه بالاتر، فرکانس نوسان تغییر میکند:
Fr = 1 / (2πRC√(2N))
که N تعداد مراحل RC است.
مثال مدار اسیلاتور RC فاز شیفت
برای پیادهسازی RC Phase Shift Oscillator چند راه وجود دارد که هرکدام از عناصر متفاوتی برای ایجاد تقویتکننده با بهره منفی (Negative-Gain Amplifier) استفاده میکنند:
- یکی از Op-Amp استفاده میکند
- دیگری از ترانزیستور BJT
فرض کنیم از مقاومتهای R = 5000Ω و خازنهای C = 1nF استفاده کنیم، فرکانس خروجی (F_r) به شکل زیر خواهد بود:
F_r = 1 / (2πRC√6) (برای شبکه ۳ مرحلهای RC)
1. مدار اسیلاتور فاز شیفت با Op-Amp
طراحی:
- نسبت (Rf / R3) بهره حلقه بسته را تعیین میکند و باید > 29 باشد.
- بنابراین میتوانیم Rf را بزرگتر از (R3*29) انتخاب کنیم.
Rf > 145KΩ → در این مثال Rf = 160KΩ انتخاب شده
شبیه سازی
- پروب اسیلوسکوپ را به خروجی مدار وصل میکنیم تا شکل موج را بررسی کنیم.
- فرکانس خروجی بدست آمده تقریبا 13KHz است که نزدیک به مقدار تئوری محاسبه شده میباشد.
2. اسیلاتور فاز شیفت با ترانزیستور BJT
راه دیگر برای پیادهسازی RC Phase Shift Oscillator استفاده از ترانزیستور BJT به جای Op-Amp است.
فرض کنیم میخواهیم سیگنال سینوسی خروجی با فرکانس Fr = 6.5KHz داشته باشیم. با توجه به خازنهای موجود C = 1nF، باید مقدار مقاومت R را محاسبه کنیم تا مدار در فرکانس مورد نظر نوسان کند. برای این کار از همان فرمول فرکانس خروجی استفاده میکنیم:
Fr = 1 / (2πRC√6)
با جایگذاری مقادیر داده شده و حل برای R، مقدار مقاومت مورد نیاز به دست میآید.
حالا همه چیز برای پیادهسازی و ساخت مدار آماده است. دیاگرام مدار BJT به شکل زیر خواهد بود:
شبیه سازی
با اتصال پروب اسیلوسکوپ به خروجی مدار:
- فرکانس خروجی واقعی Fr = 6.25KHz است که بسیار نزدیک به مقدار تئوری 6.5KHz است.
- با تغییر مقادیر مقاومتها و خازنها میتوانید فرکانس خروجی را به دلخواه تنظیم کنید.
حال میتوانید مقاومتها (R) و خازنها (C) را تغییر دهید تا فرکانس خروجی را به هر مقدار دلخواه تنظیم کنید.
این شبیهسازی تأییدی است بر اینکه استفاده از BJT به عنوان تقویتکننده با بهره منفی، یک روش عملی و قابل اعتماد برای طراحی RC Phase Shift Oscillator است.
کاربردهای اسیلاتور RC فاز شیفت
اسیلاتورهای فازشیفت در بسیاری از کاربردهای الکترونیکی استفاده میشوند، از جمله:
- تولید سیگنال صوتی
- تولید تن
- مدولاسیون فرکانس
- مدارهای نوسانساز محلی در رادیو و تلویزیون
- مدارهای اینورتر برای الکترونیک قدرت
مزایا
- طراحی ساده و کمهزینه
- توانایی تولید فرکانس از چند هرتز تا چند مگاهرتز
- نیاز نداشتن به قطعات خارجی برای پایدارسازی فرکانس
معایب
- حساس به تغییرات دما، رطوبت و تلرانس قطعات
- پایداری کمتر نسبت به سایر انواع اسیلاتورها
- محدوده پایداری و تنظیم فرکانس محدود
جمعبندی
اسیلاتورهای فازشیفت متنوع و پرکاربرد هستند و سیگنال سینوسی پیوستهای با فرکانس مشخص تولید میکنند. میتوان آنها را با مدارهای ساده RC یا مدارهای پیچیده LC طراحی کرد. مزایا و معایب آنها باید در طراحی مدار لحاظ شود تا عملکرد نوسانگر بهینه باشد.
پرسشهای متداول
1. اصل عملکرد اسیلاتورهای فازشیفت چیست؟
- از یک شبکه فیدبک استفاده میکنند که 180 درجه فازشیفت به خروجی تقویتکننده میدهد. بهره تقویتکننده، 180 درجه باقیمانده را برای نوسان فراهم میکند.
2. انواع اسیلاتورهای فازشیفت کدامند؟
- RC Phase Shift Oscillator
- LC Phase Shift Oscillator
3. چگونه یک اسیلاتور فازشیفت طراحی میشود؟
- ابتدا فرکانس خروجی مورد نظر و نوع مدار را مشخص میکنید.
- فرکانس نوسان با مقادیر مقاومتها و خازنهای شبکه فیدبک تعیین میشود.
4. کاربردهای اصلی این اسیلاتورها چیست؟
- تولید سیگنال صوتی و تن
- مدولاسیون فرکانس
- نوسانساز محلی در رادیو و تلویزیون
- مدارهای اینورتر در الکترونیک قدرت
5. مزایا و معایب آنها چیست؟
- مزایا: طراحی ساده، کمهزینه، تولید فرکانس گسترده، بدون قطعات خارجی برای پایداری
- معایب: حساس به دما و رطوبت، کمتر پایدار، محدوده تنظیم فرکانس محدود
