Oscilatoarele RC utilizează o combinație de amplificator și o rețea RC pentru a produce oscilații datorate schimbării de fază între etaje.

În tutorialele amplificatorului am văzut că un etaj de amplificare cu un tranzistor poate produce un defazaj de 180⁰ între semnalele sale de ieșire și de intrare atunci când sunt conectate într-o configurație de tip clasă A.

Pentru ca un oscilator să susțină oscilațiile pe termen nedefinit, trebuie furnizată o reacție suficientă de fază corectă, adică "Feedback pozitiv", împreună cu amplificatorul cu tranzistor utilizat, care acționează ca un etaj inversor pentru a realiza acest lucru.

Într-un circuit Oscilator RC, intrarea este defazată 180⁰ prin etajul amplificator și 180⁰ din nou printr-un al doilea etaj inversor dând „180°+180° = 360°“ defazaj, care este efectiv același cu 0⁰, astfel oferindu-ne feedback-ul pozitiv necesar. Cu alte cuvinte, schimbarea de fază a buclei de feedback ar trebui să fie "0".

Într-un Oscilator Rezistență-Capacitate sau pur și simplu un Oscilator RC, folosim faptul că apare o schimbare de fază între intrarea într-o rețea RC și ieșirea din aceeași rețea utilizând elemente RC în ramura feedback-ului, de exemplu:

Rețea RC de schimbare a fazei

Circuitul din stânga arată o singură rețea rezistor-condensator a cărei tensiune de ieșire "conduce" (defazată înainte) tensiunea de intrare cu un unghi mai mic de 90⁰. Un circuit RC ideal, un singur pol, ar produce o defazare de exact 90° și datorită faptului că un defazaj de 180° este necesar pentru oscilație, cel puțin doi poli ar trebui să fie utilizați într-o schemă de oscilator RC.

Dar, în realitate, este dificil să se obțină exact 90⁰ defazaj, astfel încât sunt utilizate mai multe etape. Cantitatea de schimbare efectivă a fazei în circuit depinde de valorile rezistorului și condensatorului și de frecvența aleasă de oscilații cu unghiul de fază (Φ) fiind dat de:

Unghiul de fază RC

unde: XC este reactanța capacitivă a condensatorului, R este rezistența rezistorului și ƒ este frecvența.

În exemplul nostru simplu de mai sus, valorile lui R și C au fost alese astfel încât, la frecvența necesară, tensiunea de ieșire să conducă tensiunea de intrare cu un unghi de aproximativ 60⁰. Atunci, unghiul de fază dintre fiecare secțiune RC succesivă crește cu încă 60⁰, dând o diferență de fază între intrare și ieșire de 180⁰ (3 x 60⁰), după cum arată diagrama vectorială următoare.

Diagrama vectorială

Atunci, prin conectarea a trei astfel de rețele RC în serie, putem produce o schimbare de fază totală în circuit de 180⁰ la frecvența aleasă și aceasta formează bazele unui "oscilator de schimbare a fazei", altfel cunoscut sub numele de circuit oscilator RC.

Știm că într-un circuit de amplificare fie folosind un tranzistor bipolar, fie un amplificator operațional, va produce un defazaj de 180⁰ între intrarea și ieșirea acestuia. Dacă între această intrare și ieșire a amplificatorului este conectată o rețea de defazare RC în trei etaje, defazajul total necesar pentru feedback-ul regenerativ va deveni 3 x 60⁰+180⁰ =360⁰ după cum se arată.

Cele trei etaje RC sunt legate împreună pentru a obține panta necesară pentru o frecvență de oscilație stabilă. Defazajul buclei de reacție este -180⁰ atunci când defazajul fiecărui etaje este de -60⁰. Acesta se întâmplă când ω = 2πƒ = 1,732/RC deoarece (tan 60⁰ = 1,732). Atunci, pentru a realiza defazarea necesară într-un circuit oscilator RC se utilizează multiple rețele de defazare RC, ca în circuitul de mai jos.

Circuitul oscilatorului RC de bază

Oscilatorul RC de bază, cunoscut și sub denumirea de oscilator defazor, produce un semnal de ieșire sinusoidală utilizând feedback-ul regenerativ obținut din combinația rezistor-condensator. Acest feedback regenerativ din rețeaua RC se datorează abilității condensatorului de a stoca o sarcină electrică (similar cu circuitul rezervor LC).

Această rețea de reacție rezistor-condensator poate fi conectată așa cum este arătat mai sus, pentru a produce o defazare de conducere (rețea de avans a fazei) sau schimbată pentru a produce o defazare întârziată (rețeaua de întârziere a fazei), rezultatul este același deoarece oscilațiile de undă sinusoidală apar doar la frecvența la care defazarea totală este de 360⁰.

Prin modificarea unuia sau mai multor rezistoare sau condensatoare în rețeaua de defazare, frecvența poate fi variată și, în general, aceasta se face prin păstrarea rezistoarelor la fel și folosind un condensator variabil cu 3 ganguri.

Dacă toate rezistoarele R și condensatoarele C în rețeaua de defazare sunt egale în valoare, atunci frecvența oscilațiilor produse de oscilatorul RC este dată de:

unde:
ƒr este Frecvența de ieșire în Hertz
R este rezistența în ohmi
C este Capacitatea în Farad
N este numărul de etaje RC. (N = 3)

Deoarece combinația rezistor-condensator în circuitul oscilator RC acționează ca un atenuator care produce o atenuare totală de -1/29 (Vo/Vi = β) pe cele trei etaje, câștigul de tensiune al amplificatorului trebuie să fie suficient de ridicat pentru a depăși aceste pierderi RC. De aceea, în rețeaua RC cu trei etaje de mai sus, câștigul amplificatorului trebuie să fie egal sau mai mare decât 29.

Efectul de încărcare al amplificatorului asupra rețelei de feedback are un efect asupra frecvenței oscilațiilor și poate determina o frecvență a oscilatorului cu până la 25% mai mare decât cea calculată. Atunci, rețeaua de feedback ar trebui să fie comandată de la o sursă de ieșire de înaltă impedanță și trimisă într-o sarcină de impedanță scăzută, cum ar fi un tranzistor amplificator cu emitor comun, dar mai bine este încă să utilizați un amplificator operațional, deoarece el satisface aceste condiții perfect.

A.O. oscilator RC

Atunci când sunt utilizate ca oscilatoare RC, A.O. sunt mai frecvente decât tranzistoarele bipolare. Circuitul oscilatorului constă dintr-un A.O. cu câștig negativ și o rețea RC cu trei secțiuni care produce un defazaj de 180⁰. Rețeaua de defazare este conectată de la ieșirea A.O. înapoi la intrarea "inversoare", așa cum se arată mai jos.

Circuit oscilator RC cu A.O.

Deoarece feedback-ul este conectat la intrarea inversoare, amplificatorul operațional este conectat în configurația sa de "amplificator inversor" care produce defazarea de 180⁰ în timp ce rețeaua RC produce celălalt defazaj de 180⁰ la frecvența necesară (180⁰ + 180°).

Deși este posibil să se lege împreună doar două etaje RC, singur pol, pentru a furniza defazajul de 180⁰ (90⁰ + 90⁰), stabilitatea oscilatorului la frecvențe joase este în general slabă.

Una dintre cele mai importante caracteristici ale unui Oscilator RC este stabilitatea sa de frecvență, care este abilitatea sa de a furniza o ieșire sinusoidală cu frecvență constantă în condiții de sarcină variabilă. Prin legarea a trei sau chiar patru etaje RC împreună (4 x 45⁰), stabilitatea oscilatorului poate fi îmbunătățită foarte mult.

Oscilatoarele RC cu patru etaje sunt utilizate în general, deoarece amplificatoarele operaționale disponibile în mod obișnuit vin în pachete quad IC, astfel încât proiectarea unui oscilator cu 4 etaje, cu un defazaj de 45⁰ relativ unul cu celălalt, este relativ ușoară.

Oscilatoarele RC sunt stabile și oferă o ieșire de undă sinusoidală cu o frecvență proporțională cu 1/RC și, deci, este posibilă o gamă mai largă de frecvențe atunci când se utilizează un condensator variabil. Dar, oscilatoarele RC sunt limitate la aplicații de frecvență, datorită limitelor de lățime de bandă pentru a produce defazarea dorită la frecvențe înalte.

Oscilatorul RC. Exemplul nr. 1

Un oscilator defazor RC cu 3 etaje este necesar pentru a produce o frecvență de oscilație de 6,5 kHz. Dacă sunt utilizate condensatoare de 1 nF în circuitul de feedback, calculați valoarea rezistoarelor determinante de frecvență și valoarea rezistorului de feedback necesar pentru a susține oscilațiile. Desenați și circuitul.

Ecuația standard dată pentru Oscilatorul RC defazor este:

Circuitul va fi un oscilator RC cu 3 etaje, care va consta din trei rezistoare și trei condensatoare de 1 nF. Deoarece frecvența oscilației este dată de 6,5 kHz, valoarea rezistoarelor se calculează astfel:

Câștigul A.O. trebuie să fie egal cu 29 pentru a susține oscilațiile. Valoarea rezistivă a celor trei rezistoare de oscilație este 10 kΩ, deci valoarea rezistorului de feedback RF a A.O. este calculată ca:

Circuit A.O. oscilator RC

În următorul tutorial despre Oscilatoare vom analiza un alt tip de Oscilator RC numit Oscilatorul în punte Wien, care utilizează rezistoare și condensatoare ca circuit rezervor pentru a produce o formă de undă sinusoidală cu frecvență joasă.