Bubba oscillator

[Slabovik]

Занятная самоосциллирующая схема. Позволяет получить достаточно чистый "синус", да ещё и с бонусом: можно снимать несколько сигналов со сдвигом фазы между ними 45°. Удобно получается, когда нужен "синус" и "косинус".



Как она работает - можно почитать во вложениях (ну, или подумать самостоятельно, там не сложно )
Но я захотел посмотреть поближе, что там. Сделал модель в MicroCAP



Расчётная частота 50 Гц, в качестве ОУ выбран TL082

осциллограммы на выходах ОУ



Тут неочевидный очевидный сюрпризик. Оказывается, первый ОУ, который обеспечивает усиление, работает с клиппингом. Из-за этого, несмотря на то, что между ОУ2 и ОУ1 есть RC цепочка, которая по совметительству убирает гармоники, выход ОУ2 также весьма искажён. Вот, как выглядит спектр гармоник



Выход ОУ2 достаточно грязен. ОУ4 выглядит лучше - это как раз за счёт фильтрации.

Можно свести клиппинг к минимуму, тщательно подобрав резисторы, обеспечивающие усиление, но сразу скажу, что полностью избавиться от клипа таким способом не получится. В какой-то момент перестанет хватать усиления и схема перестанет генерировать.







При R7=430к усиления уже не хватает, хотя Kу ОУ1 ещё больше 4. Сказывается паразитное шунтирование входом ОУ 1 последней RC цепочки. Там получается банальный делитель, который тоже нужно компенсировать. Но видно, что снижение усиления положительно сказывается на уровне гармоник.

Задача: мне нужны два синусоидальных сигнала, сдвинутые на 90° (синус и косинус), одного уровня и желательно одного качества.
Как видно, Bubba обеспечивает правильно соотношение фаз, но с уровнем и с качеством есть некоторые проблемы. Попробуем решить.

В исходном варианте последняя RC цепочка никак не используется, только для сдвига. Добавим один ОУ после неё. Как следствие - с выхода этого ОУ можно будет снимать сигнал, получаемый с последней RC цепочки. Он должен быть чище.
Поскольку каждая RC цепочка на частоте генерации сдвигает сигнал, она же его ослабляет на 3 дБ. Попросим последний ОУ компенсировать ослабление сигнала - пусть он его усиливает в 2 раза (точнее, чуть больше, чем в 2, т.к. паразитный конденсатор, отсекающий постоянку, тоже нуждается в компенсации)



Получилось так



Видно, что выходы ОУ3 и ОУ5 можно использовать в качестве выходных сигналов (до этого были ОУ2 и ОУ4). Сдвиг положительно сказался на форме.

По поводу клиппинга. Припоминается мне решение, основанное на том, что диод имеет нелинейную зависимость своего сопротивления от протекающего через него тока. Внедрим это в ОУ1



Слегка подобрав соотношения резисторов, получаем такую картинку



Клипа у ОУ1 уже нет. Уровень сигнала тоже несколько снизился, что закономерно. Но у ОУ2 уже совсем не видно искажения формы. Гармонический анализ на выходах ОУ3 и ОУ5 нам показывает вот это



А это очень и очень недурно.

Кстати, благодаря внедрённой диодной цепочке, уровень генерации практически отвязался от напряжения питания. Т.е. амплитуда стабилизировалась. Её можно стало регулировать, выбирая соотношение резисторов (на схеме модели это R7,R8,R12).

[Nikopol]

Круто! Можно вопрос по диодам? Их сопротивление вычисляется по формуле d(R)=ϕT/I, и падает с увеличением тока, а значит при большем токе растет ООС и получается чем больше тока тем меньше тока? Я прав?

[Slabovik]

Точнее, R=dU/dI
При линейном росте I, зависимость U имеет близкий к логарифмической характер, соответственно, при линейном росте U, I растёт по экспоненте.
На этом свойстве делают аналоговые логарифмизаторы значений, что бывает полезно, когда на приборе (стрелочном) нужно адекватно отображать очень широкий диапазон каких-либо значений.

При росте разницы напряжений между выходом ОУ и входом, диоды приоткрываются, уменьшая сопротивления цепи ООС, усиление уменьшается.