اسیلاتور Twin-T

اسیلاتور Twin-T یا دو قلوی T، نوع دیگری از اسیلاتور‌های RC است که از 2 شبکه RC موازی برای تولید موج سینوسی استفاده می‌کند.

کاربرد اسیلاتورهای Twin-T تقریبا شبیه به اسیلاتورهای پل وین می‌باشد. در این اسیلاتور، دو شبکه T شکل RC در فیدبک موجود است(در واقع به همین دلیل است که به آن Twin-T یا دو قلوی T می‌گویند.) که یبین خروجی و ورودی یک تقویت کننده معکوس کننده متصل شده‌‌اند. همان طور که دیدیم، یک اسیلاتور به طور پایه یک تقویت کننده با فیدبک مثبت می‌باشد که بهره ولتاژ ثابتی دارد و از آن برای حفظ نوسان استفاده می‌شود. اسیلاتور نوع T نیز به همین صورت می‌باشد. فیدبکی که توسط شبکه RC این اسیلاتور تامین می‌شود، به بخشی از سیگنال خروجی اجازه می‌دهد تا به ورودی فیدبک داشته باشد. بنابراین، شبکه RC دو قلوی T، 180 درجه شیفت فاز به وجود می‌آورد. خود تقویت کننده نیز دارای 180 درجه اختلاف فاز است که در مجموع 360 درجه خواهد شد که باعث نوسان میشود. بر خلاف یک اسیلاتور شیفت فاز RC معمولی که پیکربندی شبکه RC اش به صورت نردبانی می‌باشد یا اسیلاتور استاندارد پل وین که از پیکربندی پل مانند برای شبکه RC اش استفاده می‌کند، اسیلاتور دو قلوی T دارای دو شبکه پسیو T شکل است که گاهی اوقات به آن اسیلاتور موازی T نیز گفته می‌شود و این دو شبکه به صورتی که در شکل زیر نشان داده شده به یکدیگر متصل شده‌‌اند.

شبکه دوقلوی T

به طور واضح مشخص است که یکی از شبکه‌های RC پسیو به عنوان فیلتر پایین گذر عمل می‌کند. در حالیکه دیگری به فیلتر بالاگذر شباهت دارد و ما پیش از این، این نوع پیکربندی شبکه RC را در مقاله‌ای راجع به فیلتر Notch دیده بودیم. در این جا تفاوت این است که ما از دو شبکه RC به شکل T که با هم موازی هستند، استفاده می‌کنیم تا یک پاسخ notch را به وجود بیاوریم که فرکانس مرکزی (fc) آن برابر با فرکانس نول دلخواه برای نوسان است. در نتیجه، نوسان‌ها نمی‌توانند در فرکانس‌های بالاتر یا پایین تر از فرکانس notch رخ دهند چرا که مسیر فیدبک منفی در شبکه دو قلوی T به وجود می‌آید. در هر صورت، در فرکانس مورد نظر فیدبک‌های منفی قابل اغماض خواهند بود. بنابراین، اجازه خواهند داد تا مسیر فیدبک مثبت توسط المان تقویت‌کننده ساخته شود تا نوسان‌ها در فرکانسی مشخص به وقوع بپیوندد. بر خلاف اسیلاتور پل وین که می‌تواند برای فرکانس‌های زیادی تنظیم شود، اسیلاتور دوقلوی T بازه فرکانسی ندارد و تنها در یک فرکانس نوسان می‌کند. فرکانس، عمق و شیفت فاز notch توسط مقادیر خازن‌ها و مقامت‌ها مشخص می‌شود. مقادیر یک اسیلاتور دو قلوی T از طریق معادلات زیر مشخص میگردد:

برای یک شبکه R-C-R پایین گذر:

برای یک شبکه C-R-C بالا گذر:

ترکیب دو معادله، معادله نهایی را برای فرکانس نول یا فرکانس مرکزی notch که باعث نوسان یک شبکه دوقلوی T می‌شود، به ما خواهد داد:

در این معادله fc فرکانس نوسان بر حسب هرتز، R مقاومت فیدبک بر حسب اهم، C ظرفیت خازنی بر حسب فاراد و عدد π برابر با 3.142 می‌باشد. هنگامی‌که شبکه دوقلوی T برای اسیلاتور طراحی شد، (180 درجه شیفت فاز شبکه در فرکانس نول بین +90 تا -90 درجه رخ می‌دهد.) نیاز به یک تقویت کننده داریم تا بهره ولتاژ را تامین کند. آپ‌امپ‌ها، امپدانس ورودی بالایی دارند. به همین دلیل، در طراحی این نوع اسیلاتور نسبت به ترانزیستورها ارجحیت دارند.

تقویت کننده اسیلاتور Twin نوع T
تقویت‌کننده‌های عملیاتی می‌توانند، بهره ولتاژ و امپدانس ورودی بالایی داشته باشند. بنابراین، انتخاب فوق العاده مناسبی برای اسیلاتورهای دوقلوی T هستند. در فرکانس نوسانfc، بهره فیدبک تقریبا به صفر می‌رسد. بنابراین، به یک تقویت کننده با بهره ولتاژ فوق العاده بالاتر از یک نیاز است. فیدبک مثبتی که برای نوسان نیاز است، توسط مقاومت فیدبک R1 تامین می‌شود. در حالیکه مقاومت R2 شروع نوسان را تضمین می‌کند. برای اطمینان حاصل کردن از اینکه اسیلاتور تا جای ممکن نزدیک به فرکانس دلخواه نوسان می‌کند، نرخ این دو مقاومت باید بزرگ تر از 100 باشد. برای به دست آوردن بهره مثبت در فرکانس نوسان، می‌توانیم از پیکربندی غیرمعکوس کننده برای تقویت کننده استفاده کنیم که در این صورت، بخش کوچکی از ولتاژ خروجی توسط یک شبکه جداکننده ولتاژ به پایه ورودی غیرمعکوس کننده فیدبک داده می‌شود. فیدبک منفی که توسط مدار اسیلاتور دوقلوی T ساخته می‌شود، به ترمینال معکوس کننده ورودی متصل می‌شود. این پیکربندی حلقه بسته، یک مدار اسیلاتور غیرمعکوس کننده با ثبات خیلی بالا را به وجود می‌آورد که امپدانس ورودی بالایی دارد و امپدانس خروجی آن پایین است.

مدار اسیلاتور دو قلوی T

سپس می‌توانیم ببینیم که اسیلاتور دو قلوی T فیدبک مثبت را از طریق شبکه جداکننده ولتاژ دریافت می‌کند و فیدبک منفی از طریق شبکه دوقلوی T شکل RC دریافت می‌شود. برای اطمینان حاصل کردن از اینکه مدار در فرکانس دلخواه نوسان می‌کند، می‌توان به جای مقاومت R/2 یک پتانسیومتر قابل تنظیم گذاشت. همچنین، این پتانسیومتر می‌تواند به صورتی تنظیم شود که تغییرات خازن را جبران کند تا مدار در همان ابتدا شروع به نوسان کند.

مثال 1) اسیلاتور دوقلوی T
یک اسیلاتور دو قلوی T برای ساخت سیگنال سینوسی 1KHz مورد نیاز می‌باشد. اگر یک تقویت کننده عملیاتی با نرخ بهره 200 به کار برده شود، مقدار خازن و مقاومت تعیین کننده فرکانس R و C را محاسبه کنید و سپس مقدار خازن‌های بهره را محاسبه کنید. فرکانس نوسان باید 1KHz باشد. فراموش نکنید که مقدار هر دو مقاومت باید یکسان باشد. حال اگر R=10KΩ در نظر بگیریم، می‌توانیم مقدار خازن را با استفاده از فرمول فرکانس نوسان‌ها به دست بیاوریم:

بنابراین، R=10KΩ و C=16nf خازن مرکزی 2C=2*16nf=32nf نزدیک ترین مقدار استاندارد 33nf می‌باشد.

مقدار Rleg برابر با 10KΩ/2=5KΩ خواهد بود. اما مقدار محاسبه شده به صورت Rleg=R/(33nf/16nf)=4.85KΩ می‌باشد که در این صورت، استفاده از یک مقاومت 5 کیلواهمی‌trim pot نیاز ما را در این مثال مرتفع می‌کند. بهره حلقه تقویت کننده عملیاتی باید 200 باشد. بنابراین، اگر ما مقدار 1KΩ  را برای R2 انتخاب کنیم، مقاومت R1 برابر با 200KΩ خواهد بود. مدار نهایی در شکل زیر نشان داده شده است:

مثال 1) مدار اسیلاتور Twin نوع T

خلاصه بندی
در این مقاله، مشاهده کردیم که مدارات اسیلاتور دو قلوی T به راحتی و با استفاده از چند المان پسیو و تقویت‌کننده ساخته می‌شوند. مدار اسیلاتور دو قلوی T از شبکه RC برای مدار فیدبک استفاده می‌کند تا خروجی سینوسی دلخواه به دست بیاید. دو شبکه T شکل به صورت موازی به یکدیگر متصل شده‌‌اند. این دو شبکه RC دو فاز مخالف با هم دارند. بنابراین، در فرکانس نول هیچ خروجی نخواهیم داشت. اما در برخی فرکانس‌ها خروجی مشاهده میشود.

در ضمن، مدار در فرکانس‌های بالاتر یا پایین تر از فرکانس تنظیم شده نوسان نمی‌کند. چون فیدبک شبکه RC دوقلو منفی می‌باشد. بنابراین، در فرکانس نول، ولتاژ در ورودی غیرمعکوس کننده آپ امپ هم فاز با ولتاژ خروجی می‌باشد که باعث تداوم نوسان‌ها در فرکانس دلخواه می‌شود. برای اطمینان حاصل کردن از اینکه فرکانس نوسان نزدیک‌ترین مقدار ممکن به فرکانس نول می‌باشد، می‌توان از یک مقاومت Trim-pot در فیلتر پایین‌گذر استفاده کرد تا شبکه RC بالانس شود و موج خروجی تمیزتری داشته باشیم. یکی از بزرگ ترین نقاط ضعف اسیلاتور دو قلوی T، فرکانس نوسان آن و کیفیت موج خروجی می‌باشد که وابستگی زیادی به تقابل مقاومت‌ها و خازن‌ها در شبکه دو قلوی T دارد. بنابراین، انتخاب درست المان‌های پسیو می‌تواند نوسان در فرکانس نول دلخواه را تضمین کند.