RC-Phasenverschiebungsoszillator: Wie gibt man positives Feedback?

Ihre Prämisse ist falsch: "Ein Oszillator erfordert ein positives Feedback".

Es gibt zwei Anforderungen, damit eine Verstärkerschaltung oszillieren kann:

1. Die Gesamtrückkopplung ("Schleife") muss 0 Grad betragen (oder ein Vielfaches davon, z. B. 360, 720 Grad).

2. Es muss genügend Gesamtverstärkung vorhanden sein, um die Oszillation zu starten und aufrechtzuerhalten. (Dies wird manchmal als "Die Schleifenverstärkung muss größer als 1 sein" angegeben.)

Der vorherige Kommentator schlug vor: "Das Signal wurde noch einmal von den RCs invertiert". Nicht wahr. RC-Netzwerke können ein Signal nicht "invertieren". Sie können es nur verzögern oder phasenverschieben. Aus praktischen Gründen ist die Phasenverschiebung eines Signals um 180 Grad fast gleichbedeutend mit der "Invertierung" des Signals, da eine echte Inversion (wie durch einen invertierenden Verstärker) auch zu einer virtuellen Phasenverschiebung von 180 Grad führt - jedoch nur für symmetrische Wellenformen wie Sinuswellen, Dreieck Welle und Rechteckwellen, aber nicht für komplexe Wellen wie Musiknoten und Sprachsignale. Beachten Sie diese Unterscheidung bei der Analyse von Oszillatoren und Verstärkern.

Ein RC-Netzwerk kann eine Sinuswelle um 0 bis 90 Grad phasenverschoben. Beim Phasenverschieben des Signals wird auch die Amplitude des Signals reduziert. Da eine Phasenverschiebung von 90 Grad an den äußeren Grenzen der Phasenverschiebungsfähigkeit eines RC liegt, können wir nicht nur zwei RCs verwenden. Also stapeln wir drei RC-Netzwerke in Reihe und erlauben jedem, 60 Grad Phasenverschiebung beizutragen, für eine Gesamtphasenverschiebung von 180 Grad (aber bei nur einer bestimmten Frequenz!). Diese drei in Reihe geschalteten RC-Netzwerke werden das Signal bei der spezifischen Frequenz auch erheblich dämpfen. Diese Dämpfung muss in der Verstärkung des Verstärkers kompensiert werden, um die Oszillationsanforderung Nr. 2 einer Schleifenverstärkung größer als 1 zu erfüllen.

Es ist auch möglich, Oszillatoren mit 4, 5, 6 oder mehr in Reihe geschalteten RCs herzustellen. Aber es gibt normalerweise keinen guten Grund, diesen Designansatz zu wählen.

Die Umkehrung des Verstärkers liefert die anderen 180 Grad "Phasenverschiebung". Wir haben also ein Gesamtschleifen-Feedback von 360 Grad oder 0 Grad, je nachdem, wie Sie es betrachten. Beide Fälle erfüllen die Oszillationsanforderung Nr. 1.

Übrigens sind diese RC-Oszillatoren nicht sehr gut darin, reine Sinusausgänge zu erzeugen. Um die sinusähnlichste Ausgabe zu erhalten, müssen Sie die Verstärkung des Verstärkers selbst niedrig genug halten, damit sie gerade die zur Aufrechterhaltung der Oszillation erforderliche (dh 1,000) übersteigt. Wenn Sie ihn zu hoch einstellen, wird der Ausgang eine abgeschnittene Sinuswelle sein, die sich oft einer Rechteckwelle annähert. Experimentieren Sie mit der Verstärkung, um sowohl einen nahezu sinusförmigen Ausgang zu erhalten als auch sicherzustellen, dass der Oszillator zuverlässig startet. Je niedriger die Verstärkung des Verstärkers ist, desto langsamer und weniger zuverlässig startet der Oszillator richtig. Schalten Sie den Oszillator einige Male ein und aus, um sicherzustellen, dass er bei jedem Einschalten zuverlässig startet. Es ist auch eine gute Idee, die Hüllkurve der Schwingung auf einem Oszilloskop zu beobachten, während Sie Strom an die Schaltung anlegen.

Das Feedback-Signal durchläuft alle RC-Netzwerke: -

Bis es den invertierenden Eingang erreicht, wird das Signal noch einmal von den RCs invertiert. Jeder RC fügt (im Durchschnitt) eine Phasenverschiebung von 60 Grad bei einer bestimmten Frequenz hinzu, sodass das System nur bei einer bestimmten Frequenz schwingt.

@user41340: Um deine Frage zu beantworten: "Positives Feedback" bedeutet nicht unbedingt, dass die nicht-inv. Der Eingangsanschluss des Operationsverstärkers ist mit dem Rückkopplungspfad verbunden. Beispielsweise gibt es auf Opamps basierende Schaltungen mit negativer Rückkopplung und Phasenumkehrung INNERHALB des Rückkopplungspfads.

Im vorliegenden Fall haben wir eine solche Phasenverschiebung innerhalb des Rückkopplungspfads - und weil wir eine POSITIVE Rückkopplung benötigen, haben wir eine Verbindung zum invertierenden Eingangsknoten.

Die letzte gezeigte Schaltung ist eine Modifikation des klassischen Phasenverschiebungsoszillators (der eine invertierende Verstärkung von -29 benötigt). Hier haben wir die letzte CR-Hochpass-Sektion durch einen invertierenden DIFFERENTIATOR ersetzt (das R zwischen neg. Eingang und Masse kann weggelassen werden, es hat keinen Einfluss). Dieser Teil der Schaltung trägt -90 Grad zur gesamten Phasenverschiebung bei.

Folglich müssen die verbleibenden zwei CR-Abschnitte insgesamt +90 Grad beitragen. Somit gibt es eine einzige Frequenz, für die wir eine positive Rückkopplung mit einer Gesamtphasenverschiebung von null Grad innerhalb der Schleife haben. Dies ist die Schwingungsfrequenz. Beantwortet das deine Frage?