Wienův mostový oscilátor: obvod a výpočet frekvence

Co je Wienův mostový oscilátor?

Wienův mostový oscilátor je typ fázového oscilátoru založený na Wienově mostové síti (Obrázek 1a) sestávající ze čtyř ramen spojených v tvaru mostu. Zde jsou dvě ramena pouze odporová, zatímco další dvě ramena jsou kombinací odporů a kapacit.

Konkrétně, jedno rameno má odpor a kapacitu spojené sériově (R1 a C1), zatímco druhé je spojeno paralelně (R2 a C2).

To naznačuje, že tato dvě ramena sítě se chovají stejně jako vysokofrekvenční filtr nebo nizkofrekvenční filtr, napodobují takto chování obvodu znázorněného na Obrázku 1b.

V tomto obvodu, při vysokých frekvencích, bude reaktance kapacit C1 a C2 mnohem menší, což způsobí, že napětí V0 se stane nulové, protože R2 bude krátko spojeno.

Dále, při nízkých frekvencích, bude reaktance kapacit C1 a C2 velmi vysoká.

Nicméně i v tomto případě bude výstupní napětí V0 nulové, protože kapacita C1 bude fungovat jako otevřený obvod.

Takové chování Wienovy mostové sítě ji činí vedoucím-lagovým obvodem v případě nízkých a vysokých frekvencí, respektive.

Výpočet frekvence Wienova mostového oscilátoru

Nicméně, mezi těmito dvěma vysokými a nízkými frekvencemi existuje specifická frekvence, při které se hodnoty odporu a kapacitní reaktance rovnají, což vede k maximálnímu výstupnímu napětí.

Tato frekvence se nazývá rezonanční frekvence. Rezonanční frekvence pro Wienův mostový oscilátor se vypočítává pomocí následujícího vzorce:

Dále, při této frekvenci, fázový posuv mezi vstupem a výstupem se stane nulový a velikost výstupního napětí bude rovna jedné třetině vstupní hodnoty. Kromě toho, je vidět, že Wienův most bude vyvážen pouze při této specifické frekvenci.

V případě Wienova mostového oscilátoru, bude Wienova mostová síť z Obrázku 1 použita v zpětnovazební cestě, jak je znázorněno na Obrázku 2. Schéma obvodu pro Weinův oscilátor s BJT (Bipolární tranzistor) je níže:

V těchto oscilátorech, bude zesilovační část tvořena dvoustupňovým zesilovačem vytvořeným tranzistory Q1 a Q2, kde výstup Q2 je zpětně podáván jako vstup do Q1 prostřednictvím Wienovy mostové sítě (znázorněno modrou oblastí v obrázku).

Zde, šum v obvodu způsobí změnu základního proudu Q1, který se objeví na jeho sběrači po zesílení s fázovým posuvem 180°.

Toto je podáno jako vstup do Q2 přes C4 a dále zesíleno a objeví se s dodatečným fázovým posuvem 180°.

To způsobí, že celkový fázový rozdíl signálu zpětně podaného do Wienovy mostové sítě bude 360°, splňuje tedy fázový kriterium pro udržení oscilací.

Nicméně, tato podmínka bude splněna pouze v případě rezonanční frekvence, což způsobí, že Wienovy mostové oscilátory budou velmi selektivní vzhledem k frekvenci, což vede k stabilizovanému frekvenčnímu návrhu.

Wienovy mostové oscilátory lze navrhnout i s použitím Operačních zesilovačů jako součásti jejich zesilovační sekce, jak je znázorněno na Obrázku 3.

Je však třeba poznamenat, že zde je třeba, aby operační zesilovač působil jako neinverzní zesilovač, protože Wienova mostová síť nabízí nulový fázový posuv.

Dále, z obvodu je zřejmé, že výstupní napětí je zpětně podáváno na inverzní i neinverzní vstupní terminály.

Při rezonanční frekvenci, napětí aplikované na inverzní a neinverzní terminály bude stejné a ve fázi s sebou.

Nicméně, i zde, je třeba, aby zisk zesilovače byl větší než 3 pro spuštění oscilací a roven 3 pro jejich udržení. Obecně, tyto typy operačních zesilovačů založených na Wienových mostových oscilátorech nemohou pracovat nad 1 MHz kvůli omezením daným jejich otevřeným smyčkovým ziskem.

Wienovy mostové sítě jsou nízkofrekvenční oscilátory, které se používají k generování audio a subaudio frekvencí v rozmezí 20 Hz až 20 kHz.