Wien Bridge Oscillator: Схема и изчисление на честотата

Какво е Wien Bridge Осцилатор?

Wien-Bridge осцилатор е вид фазови селектор, основан на Wien-Bridge мрежа (Фигура 1а), състояща се от четири ръка, свързани в мостов стил. Тук две от ръцете са чисто резистивни, докато другите две са комбинация от резистори и кондензатори.

По-специално, една ръка има резистор и кондензатор, свързани последователно (R1 и C1), докато другата ги има паралелно (R2 и C2).

Това показва, че тези две ръце на мрежата се държат така, както високопропусклив филтър или низкопропусклив филтър, подражавайки поведението на цепта, показано на Фигура 1b.

В този цеп, при високи честоти, реактивното съпротивление на кондензаторите C1 и C2 ще бъде много малко, поради което напрежението V0 ще стане нула, тъй като R2 ще бъде короткосвързан.

След това, при ниски честоти, реактивното съпротивление на кондензаторите C1 и C2 ще стане много високо.

Още в този случай, изходното напрежение V0 ще остане само нула, тъй като кондензаторът C1 ще действа като разтворен контур.

Това поведение, демонстрирано от Wien-Bridge мрежата, я прави предварително-закъсняващ цеп при ниски и високи честоти, съответно.

Изчисление на честотата на Wien Bridge Осцилатор

Но между тези две високи и ниски честоти, съществува определена честота, при която стойностите на съпротивлението и капацитивното реактивно съпротивление ще станат равни, произвеждайки максималното изходно напрежение.

Тази честота се нарича резонансна честота. Резонансната честота за Wien Bridge осцилатор се изчислява с помощта на следния формула:

Освен това, при тази честота, фазовият сдвиг между входа и изхода ще стане нула и големината на изходното напрежение ще стане равна на една трета от входната стойност. Допълнително, се установява, че Wien-Bridge ще бъде балансиран само при тази конкретна честота.

В случая на Wien-Bridge осцилатор, Wien-Bridge мрежата от Фигура 1 ще бъде използвана в пътеката за обратна връзка, както е показано на Фигура 2. Схемата на Wein осцилатор, използващ BJT (Биполярен Юнкционален Транзистор) е показана по-долу:

В тези осцилатори, усилвателната секция съдържа двустепенчест усилвател, формиран от транзисторите Q1 и Q2, където изходът на Q2 е подканан да бъде вход за Q1 чрез Wien-Bridge мрежата (показана в синьо на фигурата).

Тук, шумът, вграден в цепа, ще причини промяна в базовия ток на Q1, който ще се появи в точката на колектора след усилване с фазов сдвиг от 180°.

Това се подканва да бъде вход за Q2 чрез C4 и се усилва допълнително, явявайки се с добавен фазов сдвиг от 180°.

Това прави нетния фазов сдвиг на сигнала, подканан обратно към Wien-Bridge мрежата, да бъде 360°, удовлетворявайки критерия за фазов сдвиг, за да се получи устойчиво осцилиращо движение.

Обаче, това условие ще бъде удовлетворено само в случая на резонансна честота, поради което Wien-Bridge осцилаторите ще бъдат силно изборчиви спрямо честотата, водейки до дизайн със стабилизирана честота.

Wien-bridge осцилаторите могат дори да бъдат проектирани, използвайки ОУ като част от техните усилвателни секции, както е показано на Фигура 3.

Трябва обаче да се отбележи, че тук, ОУ трябва да действа като неинвертиращ усилвател, тъй като Wien-Bridge мрежата предлага нулев фазов сдвиг.

Допълнително, от цепа е очевидно, че изходното напрежение е подканано обратно към инвертиращия и неинвертиращия вход.

При резонансна честота, напреженията, приложени към инвертиращия и неинвертиращия вход, ще бъдат равни и в фаза един с друг.

Обаче, дори и тук, напрежението на усилване на усилвателя трябва да бъде по-голямо от 3, за да започне осцилирането, и равно на 3, за да се поддържа. Обикновено, тези вид ОУ-основани Wien Bridge осцилатори не могат да работят над 1 МХз, поради ограниченията, наложени върху тях от техния отворен цикъл усилване.

Wien-Bridge мрежите са нискочестотни осцилатори, използвани за генериране на аудио и суб-аудио честоти в диапазон от 20 Hz до 20 KHz.