آموزش مدار نوسانگر RC به زبان ساده 

مدار نوسانگر RC از ترکیبی از تقویت کننده و شبکه RC برای تولید نوسانات ناشی از تغییر فاز بین مراحل استفاده می‌کنند.

در آموزش‌های تقویت کننده دیدیم که یک تقویت کننده ترانزیستور تک مرحله می‌تواند شیفت فاز 180 درجه بین سیگنال‌های خروجی و ورودی خود زمانی که در پیکربندی نوع کلاس A وصل شده‌اند، تولید کند.

برای حفط نوسانات بصورت نامحدود توسط نوسان ساز، فیدبک کافی از فاز صحیح، “فیدبک مثبت” باید در راستای تقویت کننده ترانزیستور مورد استفاده مهیا شود که به عنوان یک حالت حالت معکوس برای رسیدن به این عمل می‌کند.

در یک مدار نوسانگر RC ورودی از حالت تقویت کننده 180 درجه شیفت یافته است و 180 درجه دوباره از طریق یک حالت معکوس دوم شیفت یافته است که یک “1800+1800=3600” شیفت فاز ارائه می‌دهد که بصورت موثر  همان 0 درجه است درنیتجه یک فیدبک مثبت مورد نیاز ارائه می‌دهد. در بیان دیگر، شیفت فاز حلقه فیدبک باید “0” باشد.

در یک نوسان ساز مقاومت یا خازن یا به سادگی یک مدار نوسانگر RC ، ما از این واقعیت استفاده می‌کنیم که یک تغییر فاز بین ورودی به یک شبکه RC و خروجی از همان شبکه با استفاده از عناصر RC در شاخه بازخورد رخ می‌دهد.

شبکه شیفت فاز RC در مدار نوسانگر RC

مدار سمت چپ یک شبکه خازن – مقاومت نشان می‌دهد که ولتاژ خروجی آن ولتاژ ورودی را با زاویه کمتر از 90 درجه پیش می‌برد. یک مدار RC یک قطبی ایده‌آل یک تغییر فاز دقیقاً 90 را ایجاد می‌کند و از آنجا که 180 تغییر فاز برای نوسان لازم است، حداقل باید دو قطب منفرد در طراحی نوسانگر RC استفاده شود.

اما در واقعیت دستیابی به دقیقاً 90 تغییر فاز دشوار است بنابراین از مراحل بیشتری استفاده می‌شود. مقدار تغییر فاز واقعی در مدار بستگی به مقادیر مقاومت و خازن دارد و فرکانس انتخابی نوسانات با زاویه فاز (Φ) به شرح زیر است:

زاویه فاز RC در مدار نوسانگر RC

بطوریکه : X_C راکتانس خازنی خازن، R مقاومت و f فرکانس است.

در مثال ساده فوق، مقادیر R و C به گونه‌ای انتخاب شده‌اند که در فرکانس مورد نیاز ولتاژ خروجی ولتاژ ورودی را با زاویه حدود 60 پیش می‌برد. سپس زاویه فاز بین هر بخش RC پی در پی با 60 درجه دیگر افزایش می‌یابد و یک اختلاف فاز بین ورودی و خروجی 180 درجه (60*3) را ارائه می‌دهد که توسط نمودار بردار زیر نشان داده شده است.

نمودار برداری در مدار نوسانگر RC

سپس با اتصال سه شبکه RC بصورت سری، می‌توانیم یک تغییر فاز کل 180 درجه را در مدار با فرکانس انتخابی تولید کنیم و این پای‌های یک “نوسان ساز تغییر فاز” را تشکیل می‌دهد که در غیر اینصورت به عنوان مدار نوسان ساز RC ر شناخته می‌شود.

می‌دانیم که در یک مدار تقویت کننده یا با استفاده از یک ترانزیستور دو قطبی یا یک تقویت کننده عملیاتی، یک تغییر فاز 180 بین ورودی و خروجی آن ایجاد می‌شود. اگر یک شبکه تغییر فاز RC سه مرحله‌ای بین این ورودی و خروجی تقویت کننده متصل شود، کل تغییر فاز لازم برای فیدبک احیا کننده 3*60⁰+180⁰=360⁰ خواهد شد که نشان داده شده است.

سه مرحله RC با هم سری می‌شوند تا شیب مورد نیاز برای یک فرکانس نوسان پایدار بدست آید. تغییر فاز حلقه فیدبک 180- درجه است زمانی که تغییر فاز هر مرحله 60- درجه باشد. این زمانی اتفاق می‌افتد که ω = 2πƒ = 1.732 / RC به عنوان (tan 600=1.732) باشد. سپس برای دستیابی به تغییر فاز مورد نیاز در یک مدار نوسانگر RC، از چندین شبکه تغییر فاز RC مانند مدار زیر استفاده می‌شود.

مدار نوسانگر RC پایه

نوسانگر اصلی RC که به عنوان نوسان ساز شیفت فاز نیز شناخته می‌شود، سیگنال خروجی موج سینوسی را با استفاده از فیدبک احیا کننده به دست آمده از ترکیب مقاومت – خازن تولید می‌کند. این فیدبک احیا کننده از شبکه RC به دلیل توانایی خازن برای ذخیره بار الکتریکی، (مشابه مدار مخزن LC) است.

مدار نوسان ساز با ترانزیستور

این شبکه فیدبک خازن مقاومت می‌تواند همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است وصل شود تا یک تغییر فاز پیشرو (شبکه پیشرفت فاز) ایجاد کند یا به منظور تولید شیفت فاز تاخیری تعویض شده است (شبکه تاخیر فاز) که نتیجه هنوز همان نوسانات موج سینوسی است که  فقط در فرکانسی که در آن تغییر فاز کلی 360 است، رخ می‌دهد.

با تغییر یک یا چند مقاومت یا خازن در شبکه تغییر فاز، فرکانس می‌تواند تغییر کند و به طور کلی این کار با نگه داشتن یکسان مقاومت و استفاده از یک خازن متغیر 3 گانه انجام می‌شود.

اگر تمام مقاومت ها، R و خازن ها C در شبکه تغییر فاز از نظر مقدار مساوی باشند، در این صورت فرکانس‌های نوسانات تولید شده توسط نوسانگر RC به شرح زیر است:

به طوری که:

F_r فرکانس خروجی در هرتز است.

R مقاومت با واحد اهم است.

C خازن با واحد فاراد است.

N تعداد حالات RC است (N=3).

از آنجا که ترکیب مقاومت – خازن در مدار نوسانگر RC  نیز به عنوان تضعیف کننده عمل می‌کند یک تضعیف کلی 1/29- ام (Vo/Vi=β) را در دو سر سه مرحله تولید می‌کند و بهره ولتاژ تقویت کننده باید به اندازه کافی بالا باشد تا بر این تلفات RC  غلبه کند. درنتیجه، در شبکه سه مرحله‌ای RC ما در بالا، بهره تقویت کننده نیز باید برابر یا بیشتر از 29 باشد.

تاثیر بارگذاری تقویت کننده در شبکه فیدبک، تأثیری در فرکانس نوسانات دارد و می‌تواند باعث شود تا فرکانس نوسان ساز تا 25٪ بالاتر از مقدار محاسبه شده باشد. سپس شبکه فیدبک باید از یک منبع خروجی امپدانس بالا راه‌اندازی شود و به یک بار امپدانس پایین مانند یک تقویت کننده ترانزیستور امیتر مشترک رایج تغذیه شود اما بهتر است که از یک تقویت کننده عملیاتی استفاده کنید زیرا این شرایط را کاملاً برآورده می‌کند.

مدار نوسان گر RC تقویت کننده عملیاتی

هنگامی که به عنوان نوسان سارهای RC استفاده شدند، نوسان سازهای RC تقویت کننده عملیاتی بسیار رایج‌تر از همتاهای ترانزیستورهای دو قطبی خود هستند. مدار نوسان ساز شامل یک تقویت کننده عملیاتی بهره منفی و یک شبکه RC سه بخشی که شیفت فاز 180 درجه تولید می‌کند. شبکه شیفت فاز از خروجی تقویت کننده عملیاتی به عقب به ورودی ” معکوس” خود وصل می‌شود که نشان داده شده است.

از آنجا که فیدبک به ورودی معکوس وصل شده است، درنتیجه تقویت کننده عملیاتی در پیکربندی “تقویت کننده معکوس” خود که شیفت فاز 180 درجه را ایجاد می کند وصل شده است درحالی که شبکه RC شیفت فاز 180 درجه دیگر در فرکانس مورد نیاز (1800+1800) تولید می‌‌کند.

اگرچه، سری کردن دو حالت RC تک قطبی برای مهیا کردن شیفت فاز 180 درجه مورد نیاز (90⁰+90⁰) نیز ممکن است، پایداری نوسان ساز در فرکانس‌های پایین عموما ضعیف است.

اختلاف فاز در مدار RC

یکی از مهمترین ویژگی‌های یک مدار نوسانگر RC، پایداری فرکانسی آن است که توانایی آن در ارائه یک خروجی موج سینوسی با فرکانس ثابت در شرایط بار متغیر است. با سری کردن سه یا حتی چهار مرحله RC با هم (4*45⁰) ، می توان پایداری نوسان ساز را تا حد زیادی بهبود داد.

مدار نوسانگر RC با چهار مرحله معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند زیرا معمولاً تقویت کننده های عملیاتی موجود در بسته‌های آی سی هستند  بنابراین طراحی یک نوسان ساز 4 مرحله‌ای با 45 شیفت فاز نسبت به یکدیگر نسبتاً آسان است.

مدار نوسانگر RC پایدار بوده و خروجی موج سینوسی با شکل مناسب را ایجاد می‌کنند که فرکانس آن متناسب با 1/RC است و بنابراین، هنگام استفاده از خازن متغیر، محدوده فرکانسی وسیع تری امکان پذیر است. با این حال، مدار نوسانگر RC به دلیل محدودیت پهنای باند محدود به کاربردهای فرکانسی محدود می شوند تا شیفت فاز مورد نظر را در فرکانس های بالا تولید کنند.

مثال شماره 1 مدار نوسان گر RC

یک مدار نوسانگر RC سه مرحله‌ای شیفت فاز برای تولید فرکانس نوسان 6.5kHz لازم است. اگر از خازن 1nF در مدار فیدبک استفاده شده باشد، مقدار مقاومت‌های تعیین کننده فرکانس و مقدار مقاومت فیدبک مورد نیاز برای حفظ نوسانات را محاسبه کنید. همچنین مدار را بکشید.

معادله استاندارد داده شده برای مدار نوسانگر RC شیفت فاز بصورت زیر است:

بهره تقویت کننده های عملیاتی باید معادل با 29 برای حفظ نوسانات باشد. مقدار مقاومتی مقاومت‌های نوسان 10kΩ است درنتیجه، مقدار مقاومت فیدبک تقویت کننده عملیاتی R_f بصورت زیر محاسبه می‌شود:

مدار تقویت کننده عملیاتی مدار نوسانگر RC

در آموزش بعدی درباره نوسان سازها، ما به نوع دیگری از مدار نوسانگر RC با عنوان نوسان سازهای پل وین خواهیم پرداخت که از مقاومت و خازن به عنوان مدار مخزن خود برای تولید یک شکل موج سینوسی با فرکانس پایین استفاده می‌کنند.