پل وین اوسیلاتور: مدار و محاسبه فرکانس

وین بريدج اسیلاتور چیست؟

وین بريدج اسیلاتور نوعی فاز شیفت اسیلاتور است که بر اساس شبکه وین بريدج (شکل 1a) تشکیل شده است که شامل چهار بازوی به صورت پلی متصل شده است. در اینجا دو بازو کاملا مقاومتی هستند در حالی که دو بازوی دیگر ترکیبی از مقاومت‌ها و خازن‌ها می‌باشند.

به طور خاص، یک بازو مقاومت و خازن را به صورت سری (R1 و C1) دارد در حالی که بازوی دیگر آنها را به صورت موازی (R2 و C2) دارد.

این نشان می‌دهد که این دو بازوی شبکه رفتار مشابهی با فیلتر عبور بالا یا فیلتر عبور پایین دارند و رفتار مدار نشان داده شده در شکل 1b را تقلید می‌کنند.

در این مدار، در فرکانس‌های بالا، واکنش خازن‌های C1 و C2 بسیار کم خواهد بود به دلیل اینکه ولتاژ V0 به صفر خواهد رسید زیرا R2 کوتاه می‌شود.

بعداً، در فرکانس‌های پایین، واکنش خازن‌های C1 و C2 بسیار بالا خواهد شد.

با این حال حتی در این حالت، ولتاژ خروجی V0 فقط به صفر خواهد رسید زیرا خازن C1 به عنوان یک مدار باز عمل می‌کند.

این نوع رفتار نشان داده شده توسط شبکه وین بريدج آن را به یک مدار جلو-عقب در مورد فرکانس‌های پایین و بالا می‌کند.

محاسبه فرکانس وین بريدج اسیلاتور

با این حال، در میان این دو فرکانس بالا و پایین، یک فرکانس خاص وجود دارد که در آن مقادیر مقاومت و واکنش خازنی با هم برابر خواهند شد و ولتاژ خروجی ماکزیمم تولید می‌شود.

این فرکانس به عنوان فرکانس همخوانی شناخته می‌شود. فرکانس همخوانی برای اسیلاتور وین بريدج با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

علاوه بر این، در این فرکانس، اختلاف فاز بین ورودی و خروجی به صفر می‌رسد و مقدار ولتاژ خروجی به یک سوم مقدار ورودی برابر می‌شود. علاوه بر این، مشاهده می‌شود که وین بريدج فقط در این فرکانس خاص متعادل خواهد شد.

در مورد وین بريدج اسیلاتور، شبکه وین بريدج شکل 1 در مسیر بازخورد استفاده می‌شود مانند شکل 2. مدار نمودار برای یک اسیلاتور وین با استفاده از BJT (ترانزیستور تقاطع دو قطبی) به صورت زیر نشان داده شده است:

در این اسیلاتورها، بخش تقویت کننده شامل دو مرحله تقویت کننده تشکیل شده توسط ترانزیستورها، Q1 و Q2 است که خروجی Q2 به عنوان ورودی به Q1 از طریق شبکه وین بريدج (در داخل دایره آبی در شکل نشان داده شده) بازخورد می‌شود.

در اینجا، نویز ذاتی در مدار باعث تغییر در جریان پایه Q1 می‌شود که پس از تقویت با اختلاف فاز 180° در نقطه کالکتور آن ظاهر می‌شود.

این به عنوان ورودی به Q2 از طریق C4 وارد می‌شود و بیشتر تقویت می‌شود و با اختلاف فاز اضافی 180° ظاهر می‌شود.

این باعث می‌شود که اختلاف فاز کلی سیگنال بازخورد به شبکه وین بريدج 360° شود و شرط اختلاف فاز برای بدست آوردن نوسانات پایدار را ارضاء کند.

با این حال، این شرط فقط در مورد فرکانس همخوانی برقرار خواهد بود، بنابراین اسیلاتورهای وین بريدج از لحاظ فرکانس بسیار انتخابی خواهند بود که منجر به طراحی پایدار شده فرکانسی می‌شود.

اسیلاتورهای وین بريدج حتی می‌توانند با استفاده از آپ‌آمپ‌ها به عنوان بخشی از بخش تقویت کننده خود طراحی شوند، مانند شکل 3.

با این حال باید توجه داشت که در اینجا آپ‌آمپ باید به عنوان یک تقویت کننده غیر معکوس عمل کند زیرا شبکه وین بريدج اختلاف فاز صفر ارائه می‌دهد.

علاوه بر این، از مدار مشخص است که ولتاژ خروجی به هر دو ترمینال ورودی معکوس و غیر معکوس بازخورد داده می‌شود.

در فرکانس همخوانی، ولتاژهای اعمال شده به ترمینال‌های ورودی معکوس و غیر معکوس با هم برابر و در فاز خواهند بود.

با این حال، حتی در اینجا، نسبت تقویت آمپلی تود باید بیشتر از 3 باشد تا نوسانات شروع شود و برابر با 3 باشد تا نوسانات پایدار شود. به طور کلی، این نوع اسیلاتورهای وین بريدج مبتنی بر آپ‌آمپ نمی‌توانند بالاتر از 1 MHz عمل کنند به دلیل محدودیت‌های اعمال شده بر آنها توسط تقویت آمپلی تود باز.

شبکه‌های وین بريدج اسیلاتورهای فرکانس پایین هستند که برای تولید فرکانس‌های صوتی و زیر صوتی در محدوده 20 Hz تا 20 KHz استفاده می‌شوند.