Wien Bridge Oscillator: Kredsløb og Frekvensberegning

Hvad er en Wien Bridge Oscillator?

En Wien-Bridge Oscillator er en type faseforskydningsoverflager, der bygger på et Wien-Bridge netværk (Figur 1a), som består af fire arme forbundet i en bro-struktur. Her er to arme rent resistive, mens de andre to arme er en kombination af modstandere og kapacitorer.

Specifikt har den ene arm modstander og kapacitor forbundet i serie (R1 og C1), mens den anden har dem i parallel (R2 og C2).

Dette indikerer, at disse to arme i netværket opfører sig identisk med en højpasfilter eller lavpasfilter, hvilket efterligner opførslen af kredsløbet vist i Figur 1b.

I dette kredsløb vil ved høje frekvenser kapacitiv reaktance for C1 og C2 være meget lav, hvilket gør, at spændingen V0 bliver nul, da R2 kortsluttes.

Ved lave frekvenser vil kapacitiv reaktance for C1 og C2 blive meget høj.

Dog vil også i dette tilfælde udgangsspændingen V0 forblive nul, da kapacitoren C1 virker som en åben kredsløb.

Denne type opførsel, som Wien-Bridge netværket viser, gør det til et lead-lag kredsløb i henholdsvis lav- og høje frekvenser.

Beregning af Wien Bridge Oscillators frekvens

Imidlertid findes der mellem disse to høje og lave frekvenser en bestemt frekvens, hvor værdierne for modstand og kapacitiv reaktance bliver lig hinanden, hvilket producerer maksimal udgangsspænding.

Denne frekvens kaldes resonansfrekvens. Resonansfrekvensen for en Wien Bridge Oscillator beregnes ved hjælp af følgende formel:

Ved denne frekvens bliver faseskævnissen mellem input og output nul, og størrelsen af udgangsspændingen bliver lig en tredjedel af input-værdien. Desuden ses det, at Wien-Bridge kun er balanceret ved denne bestemte frekvens.

I tilfældet med Wien-Bridge oscillator, anvendes Wien-Bridge netværket fra Figur 1 i feedback-stien, som vist i Figur 2. Kredsløbsdiagrammet for en Wien Oscillator, der bruger en BJT (Bipolar Junction Transistor), er vist nedenfor:

I disse oscillatører, består forstærkersektionen af en totrins-forstærker dannet af transistorerne Q1 og Q2, hvor output fra Q2 er feedet tilbage som input til Q1 via Wien-Bridge netværket (vist inden for den blå ramme i figuren).

Her vil støj, der er inbygget i kredsløbet, forårsage en ændring i basestrømmen for Q1, som vil fremkomme ved dens kollektorpunkt efter at være blevet forstærket med en faseskævnis på 180°.

Dette feedes som input til Q2 via C4 og bliver yderligere forstærket og fremkommer med en ekstra faseskævnis på 180°.

Dette gør, at den samlede faseskævnisse for signalet, der feedes tilbage til Wien-Bridge netværket, bliver 360°, hvilket opfylder faseskævniskriteriet for at opnå vedvarende oscillationer.

Dog vil dette kriterium kun blive opfyldt ved resonansfrekvens, hvilket gør, at Wien-Bridge oscillatører er meget selektive i forhold til frekvens, hvilket fører til en frekvensstabiliseret design.

Wien-bridge oscillatører kan endda designes ved hjælp af Op-Amps som en del af deres forstærkersektion, som vist i Figur 3.

Det skal dog bemærkes, at her er Op-Amp nødt til at fungere som en ikke-inverterende forstærker, da Wien-Bridge netværket tilbyder nul faseskævnis.

Yderligere er det tydeligt fra kredsløbet, at udgangsspændingen feedes tilbage til både inverterende og ikke-inverterende inputterminaler.

Ved resonansfrekvens vil spændingerne, der anvendes på inverterende og ikke-inverterende terminaler, være ens og i fase med hinanden.

Dog er også her forstærkningsforholdet for forstærkeren nødt til at være større end 3 for at starte oscillationer og lig 3 for at vedligeholde dem. Generelt kan disse Op-Amp-baserede Wien Bridge Oscillators ikke operere over 1 MHz pga. begrænsninger, der pålægges af deres åbne sløjpeforstærkning.

Wien-Bridge netværk er lavfrekvens oscillatører, der bruges til at generere audio- og sub-audiofrekvenser mellem 20 Hz og 20 KHz.

Desuden giver de stabiliseret, lavforvredet sinusformet output over et bredt frekvensområde, der kan vælges ved hjælp af tiervismodstandsboxer.

Yderligere kan oscillationsfrekvensen i dette type kredsløb nemt variere, da det kun kræver variation af kapacitorerne C1 og C2.

Dog kræver disse