Wien-Brücken-Oszillator: Schaltung und Frequenzberechnung

Was ist ein Wien-Bridge-Oszillator?

Ein Wien-Bridge-Oszillator ist eine Art von Phasenverschiebungsoszillator, der auf einem Wien-Bridge-Netzwerk (Abbildung 1a) basiert, das aus vier Armen besteht, die in Brückenform verbunden sind. Zwei Arme sind rein ohmsch, während die anderen beiden Arme eine Kombination aus Widerständen und Kondensatoren bilden.

Insbesondere hat ein Arm einen Widerstand und einen Kondensator in Reihe (R1 und C1), während der andere sie parallel (R2 und C2).

Dies bedeutet, dass diese beiden Arme des Netzwerks sich identisch verhalten wie ein Hochpassfilter oder ein Tiefpassfilter, indem sie das Verhalten des Schaltkreises imitieren, wie in Abbildung 1b gezeigt.

In diesem Schaltkreis wird bei hohen Frequenzen die Impedanz der Kondensatoren C1 und C2 sehr gering, wodurch die Spannung V0 null wird, da R2 kurzgeschlossen ist.

Nächste, bei niedrigen Frequenzen, wird die Impedanz der Kondensatoren C1 und C2 sehr hoch.

Auch in diesem Fall bleibt die Ausgangsspannung V0 jedoch null, da der Kondensator C1 als offener Schaltkreis wirkt.

Diese Art von Verhalten, das vom Wien-Bridge-Netzwerk gezeigt wird, macht es zu einem Vor-Zurück-Schaltkreis bei niedrigen und hohen Frequenzen, respektive.

Frequenzberechnung eines Wien-Bridge-Oszillators

Dennoch existiert zwischen diesen beiden hohen und niedrigen Frequenzen eine bestimmte Frequenz, bei der die Werte der Widerstände und der kapazitiven Impedanz gleich groß werden, was die maximale Ausgangsspannung erzeugt.

Diese Frequenz wird als Resonanzfrequenz bezeichnet. Die Resonanzfrequenz für einen Wien-Bridge-Oszillator wird mit folgender Formel berechnet:

Zudem wird bei dieser Frequenz die Phasenverschiebung zwischen Eingang und Ausgang null und die Amplitude der Ausgangsspannung wird ein Drittel des Eingangswertes. Darüber hinaus wird die Wien-Bridge nur bei dieser speziellen Frequenz ausgeglichen.

Im Falle eines Wien-Bridge-Oszillators wird das Wien-Bridge-Netzwerk der Abbildung 1 im Rückkopplungspfad verwendet, wie in Abbildung 2 dargestellt. Das Schaltbild eines Wien-Oszillators mit einem BJT (Bipolarer Junction Transistor) ist unten dargestellt:

In diesen Oszillatoren besteht der Verstärkerabschnitt aus einem zweistufigen Verstärker, der durch die Transistoren, Q1 und Q2, gebildet wird, wobei der Ausgang von Q2 über das Wien-Bridge-Netzwerk (im blauen Bereich in der Abbildung dargestellt) zurückgekoppelt wird an den Eingang von Q1.

Hier bewirkt das in der Schaltung inhärente Rauschen eine Änderung des Basisstroms von Q1, das nach der Verstärkung mit einer Phasenverschiebung von 180° am Kollektorpunkt erscheint.

Dies wird über C4 als Eingang für Q2 eingespeist, wird weiter verstärkt und erscheint mit einer zusätzlichen Phasenverschiebung von 180°.

Dies führt dazu, dass die netto Phasenverschiebung des zurückgekoppelten Signals zum Wien-Bridge-Netzwerk 360° beträgt, was die Phasenverschiebungskriterien zur Erhaltung der Oszillationen erfüllt.

Allerdings wird diese Bedingung nur bei der Resonanzfrequenz erfüllt, wodurch die Wien-Bridge-Oszillatoren in Bezug auf die Frequenz hochselektiv sind, was zu einer frequenzstabilisierten Konstruktion führt.

Wien-Bridge-Oszillatoren können auch mit Operationsverstärkern als Teil ihres Verstärkerabschnitts entworfen werden, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Es ist jedoch zu beachten, dass hier der Operationsverstärker als nicht-invertierender Verstärker wirken muss, da das Wien-Bridge-Netzwerk keine Phasenverschiebung bietet.

Darüber hinaus ist aus dem Schaltkreis ersichtlich, dass die Ausgangsspannung sowohl an den invertierenden als auch an den nicht-invertierenden Eingangsanschluss zurückgekoppelt wird.

Bei der Resonanzfrequenz sind die an den invertierenden und nicht-invertierenden Anschlüssen angewandten Spannungen gleich und in Phase zueinander.

Allerdings muss auch hier die Spannungsverstärkung des Verstärkers größer als 3 sein, um die Oszillationen zu starten, und gleich 3, um sie aufrechtzuerhalten. Im Allgemeinen können diese Art von Operationsverstärker-basierten Wien-Bridge-Oszillatoren aufgrund der Einschränkungen ihrer Offenkollektor-Verstärkung nicht oberhalb von 1 MHz arbeiten.

Wien-Bridge-Netzwerke sind Niederfrequenzoszillatoren, die verwendet werden, um Audio- und Unter-Audiofrequenzen im Bereich von 20 Hz bis 20 kHz zu erzeugen.

Darüber hinaus bieten sie über einen weiten Frequenzbereich stabilisierte, wenig verzerrte sinusförmige Ausgänge, die mit Dekadenwiderstandsboxen ausgewählt werden können.

Zudem kann die Oszillationsfrequenz in diesem Schaltkreis recht einfach variiert werden, indem lediglich die Kondensatoren C1 und C