Mạch dao động dịch pha RC dùng Op Amp : Phase Shift Oscillator là một mạch dao động điện tử trong đó tạo ra sóng sin. Nó có thể được thiết kế bằng cách sử dụng bóng bán dẫn hoặc bằng cách sử dụng Op-amp làm bộ khuếch đại đảo. Nói chung, các bộ dao động dịch pha này được sử dụng như bộ tạo dao động âm thanh. Trong bộ dao động dịch pha RC, sự dịch chuyển pha 180 độ được tạo ra bởi mạng RC và 180 độ khác được tạo ra bởi Op-amp, do đó sóng tạo ra sẽ bị đảo ngược 360 độ.
Ngoài việc tạo ra đầu ra sóng hình sin, chúng còn được sử dụng để cung cấp khả năng kiểm soát đáng kể quá trình chuyển pha. Các ứng dụng khác của bộ dao động dịch pha là:
- Trong bộ tạo dao động âm thanh
- Biến tần sóng sin
- Tổng hợp giọng nói
- GPS
- Nhạc cụ.
Trước khi chúng ta bắt đầu thiết kế bộ dao động dịch pha RC, Chúng ta hãy tìm hiểu thêm về pha và dịch pha của nó.
Phase và Phase Shift là gì?
Pha là một chu kỳ đầy đủ của sóng hình sin trong tham chiếu 360 độ. Một chu kỳ hoàn chỉnh được định nghĩa là khoảng thời gian cần thiết để dạng sóng trả về giá trị ban đầu tùy ý của nó. Pha được biểu thị là một vị trí nhọn trên chu kỳ dạng sóng này. Nếu chúng ta nhìn thấy sóng hình sin chúng ta có thể dễ dàng xác định được pha.
Trong hình trên, một chu kỳ sóng hoàn chỉnh được hiển thị. Điểm xuất phát ban đầu của sóng hình sin là pha 0 độ và nếu chúng ta xác định mỗi đỉnh âm và dương và 0 điểm, chúng ta sẽ có pha 90, 180, 270, 360 độ. Vì vậy, khi một tín hiệu hình sin bắt đầu, nó có hành trình khác với tham chiếu 0 độ, chúng tôi gọi nó là chuyển pha phân biệt với tham chiếu 0 độ.
Nếu chúng ta nhìn thấy hình ảnh tiếp theo, chúng ta sẽ xác định được sóng hình sin lệch pha trông giống nhau như thế nào…
Trong hình ảnh này, có hai sóng tín hiệu hình sin xoay chiều được trình bày, sóng hình sin màu xanh lá cây đầu tiên có pha 360 độ nhưng sóng màu đỏ lệch pha 90 độ so với pha của tín hiệu màu xanh lá cây.
Việc chuyển pha này có thể được thực hiện bằng một mạng RC đơn giản.
Bộ dao động dịch chuyển pha RC
Một bộ dao động dịch pha RC đơn giản cung cấp độ lệch pha tối thiểu là 60 độ.
Hình trên hiển thị một mạch RC dịch pha bậc 1 hoặc mạch bậc thang làm dịch chuyển pha của tín hiệu đầu vào bằng hoặc nhỏ hơn 60 độ.
Lý tưởng nhất, độ lệch pha của sóng đầu ra của mạch RC phải là 90 độ, nhưng trong thực tế thì nó là khoảng. 60 độ, vì tụ điện không phải là lý tưởng. Công thức tính góc pha của mạng RC được đề cập dưới đây:
φ = tan -1 (Xc / R)
Trong đó, Xc là điện kháng của tụ điện và R là điện trở được kết nối trong mạng RC.
Nếu chúng ta phân tầng ở đó mạng RC, chúng ta sẽ nhận được dịch pha 180 độ .
Bây giờ để tạo ra dao động và đầu ra sóng sin, chúng ta cần một thành phần tích cực, đó là Transistor hoặc Op-amp trong cấu hình đảo.
Có một số hạn chế trong việc sử dụng Transistor để tạo Dao động dịch pha RC:
- Nó chỉ ổn định cho các tần số thấp.
- Bộ dao động dịch pha RC yêu cầu mạch bổ sung để ổn định biên độ của dạng sóng.
- Độ chính xác của tần số không hoàn hảo.
- Hiệu ứng tải bất lợi. Do sự hình thành tầng, trở kháng đầu vào của cực thứ hai thay đổi đặc tính điện trở của bộ lọc cực đầu tiên. Càng nhiều bộ lọc xếp tầng thì tình hình càng trở nên tồi tệ hơn vì nó sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của tần số dao động dịch pha được tính toán.
Do sự suy giảm trên điện trở và tụ điện, suy hao trên mỗi giai đoạn được tăng lên và tổng suy hao là khoảng 1/29 tín hiệu đầu vào.
Khi mạch suy giảm ở 1/29, chúng ta cần khôi phục phần mất mát. Tìm hiểu thêm về chúng trong hướng dẫn trước của chúng tôi .
Mạch dao động dịch pha RC dùng Op Amp
Khi chúng tôi sử dụng op-amp cho bộ dao động dịch pha RC, nó hoạt động như một bộ khuếch đại đảo . Ban đầu, sóng đầu vào đã được đưa vào mạng RC, do đó chúng tôi nhận được 180 độ lệch pha. Và, đầu ra RC này được đưa vào đầu đảo của op-amp.
Bây giờ, như chúng ta biết rằng op-amp sẽ tạo ra sự lệch pha 180 độ khi hoạt động như một bộ khuếch đại đảo. Vì vậy, chúng tôi nhận được sự dịch chuyển pha 360 độ trong sóng sin đầu ra. Bộ dao động dịch pha RC này sử dụng op-amp cung cấp tần số không đổi ngay cả trong các điều kiện tải khác nhau.
Linh kiện
- IC Op-Amp – LM741
- Điện trở – (100k – 3nos, 10k – 2nos, 4.7k)
- Tụ điện – (100pF – 3nos)
- Máy hiện sóng
Sơ đồ mạch
Mô phỏng Mạch dao động dịch pha RC dùng Op Amp
Bộ dao động dịch pha RC cung cấp một đầu ra sóng sin chính xác. Như bạn có thể thấy trong video mô phỏng cuối cùng, chúng tôi đã đặt đầu dò của máy hiện sóng thành bốn giai đoạn của mạch.
| Đầu dò máy hiện sóng | Loại sóng |
| Đầu tiên – A | Sóng đầu vào |
| Thứ hai – B | Sóng hình sin với dịch chuyển pha 90 độ |
| Thứ ba – C | Sóng hình sin với dịch chuyển pha 180 độ |
| Thứ tư – D | Sóng đầu ra (sóng hình sin) với dịch chuyển pha 360 độ |
Ở đây, mạng phản hồi đang đưa ra sự dịch chuyển pha 180 độ. Chúng tôi nhận được 60 độ từ mỗi mạng RC. Và, sự dịch chuyển pha 180 độ còn lại được tạo ra bởi op-amp trong cấu hình đảo.
Để tính tần số của dao động, sử dụng công thức dưới đây:
F = 1 / 2πRC√2N
Nhược điểm của bộ dao động dịch pha RC sử dụng op-amp là nó không thể được sử dụng cho các ứng dụng tần số cao. Bởi vì bất cứ khi nào tần số quá cao, điện kháng của tụ điện rất thấp và nó hoạt động như một sự ngắn mạch.
