RC-Phasenverschiebungsoszillator

RC-Phasenverschiebungsoszillator

Ein RC-Phasenverschiebungsoszillator ist definiert als ein elektronisches Schaltkreis, der Widerstand-Kondensator-Netzwerke (RC-Netzwerke) verwendet, um ein konstantes oszillierendes Ausgangssignal zu erzeugen.

RC-Phasenverschiebungsoszillatoren verwenden Widerstand-Kondensator-Netzwerke (Abbildung 1), um die für das Rückkopplungssignal erforderliche Phasenverschiebung bereitzustellen. Sie haben eine ausgezeichnete Frequenzstabilität und können für einen breiten Bereich von Lasten eine reine Sinuswelle liefern.

Idealerweise sollte ein einfaches RC-Netzwerk einen Ausgang haben, der den Eingang um 90° übersteuert.

In der Praxis ist die Phasendifferenz oft weniger ideal aufgrund des nicht-idealen Verhaltens des Kondensators. Der Phasenwinkel des RC-Netzwerks wird mathematisch ausgedrückt als

Dabei ist X C = 1/(2πfC) die Reaktanz des Kondensators C und R der Widerstand. In Oszillatoren können diese Art von RC-Phasenverschiebungsnetzwerken, die jeweils eine bestimmte Phasenverschiebung bieten, so gekoppelt werden, dass sie die durch das Barkhausen-Kriterium geforderte Phasenverschiebung erfüllen.

Ein solches Beispiel ist der Fall, in dem ein RC-Phasenverschiebungsoszillator durch die Kaskadierung von drei RC-Phasenverschiebungsnetzwerken gebildet wird, die jeweils eine Phasenverschiebung von 60° bieten, wie in Abbildung 2 gezeigt.

Hier begrenzt der Kollektorwiderstand RC den Kollektorstrom des Transistors, während die Widerstände R1 und R (in der Nähe des Transistors) das Spannungsteilernetzwerk bilden und der Emittorwiderstand RE die Stabilität verbessert. Die Kondensatoren CE und Co sind der Emittorbypasskondensator und der Ausgangs-Gleichstrom-Entkopplungskondensator, respektive. Weiterhin zeigt der Schaltkreis drei RC-Netzwerke, die im Rückkopplungspfad eingesetzt werden.

Diese Anordnung verursacht, dass die Ausgangswelle während ihres Weges vom Ausgangsterminal zur Basis des Transistors um 180° verschoben wird. Danach wird dieses Signal durch den Transistor im Schaltkreis erneut um 180° verschoben, da die Phasendifferenz zwischen Eingang und Ausgang bei einer Gemeinschaftsemitterkonfiguration 180° beträgt. Dies führt zu einer Nettophasendifferenz von 360°, was die Phasendifferenzbedingung erfüllt.

Eine weitere Möglichkeit, die Phasendifferenzbedingung zu erfüllen, besteht darin, vier RC-Netzwerke zu verwenden, die jeweils eine Phasenverschiebung von 45° bieten. Daher kann man schließen, dass RC-Phasenverschiebungsoszillatoren auf verschiedene Weisen entworfen werden können, da die Anzahl der RC-Netzwerke nicht festgelegt ist. Es ist jedoch zu beachten, dass, obwohl eine Erhöhung der Stufenanzahl die Frequenzstabilität des Schaltkreises erhöht, dies auch negativ auf die Ausgangsfrequenz des Oszillators aufgrund des Ladeeffekts wirkt.

Der allgemeine Ausdruck für die Frequenz der von einem RC-Phasenverschiebungsoszillator erzeugten Oszillationen lautet

Dabei ist N die Anzahl der durch die Widerstände R und die Kondensatoren C gebildeten RC-Stufen.

Weiterhin können, wie bei den meisten Arten von Oszillatoren, auch RC-Phasenverschiebungsoszillatoren mit einem Operationsverstärker (OpAmp) als Teil des Verstärkerschaltkreises entworfen werden (Abbildung 3). Dennoch bleibt der Arbeitsmodus gleich, wobei zu beachten ist, dass hier die erforderliche Phasenverschiebung von 360° gemeinsam durch die RC-Phasenverschiebungsnetzwerke und den Op-Amp, der in invertierender Konfiguration arbeitet, bereitgestellt wird.

Die Frequenz von RC-Phasenverschiebungsoszillatoren kann durch Ändern der Kondensatoren, typischerweise durch Gangabstimmung, angepasst werden, während die Widerstände in der Regel fest bleiben. Verglichen mit LC-Oszillatoren verwendet der RC-Phasenverschiebungsoszillator mehr Schaltkreiselemente.

Daher kann die von RC-Oszillatoren erzeugte Ausgangsfrequenz stärker vom berechneten Wert abweichen als bei LC-Oszillatoren. Dennoch werden sie als lokale Oszillatoren für synchrone Empfänger, Musikinstrumente und als Nieder- und/oder Audiofrequenzgeneratoren verwendet.