Oscillatore Ponte di Wien: Circuito e Calcolo della Frequenza

Cos'è un Oscillatore a Ponte di Wien?

Un Oscillatore a Ponte di Wien è un tipo di oscillatore a sfasamento basato su una rete a ponte di Wien (Figura 1a) composta da quattro bracci connessi in modo simile a un ponte. Due bracci sono puramente resistenti, mentre gli altri due bracci sono una combinazione di resistenze e condensatori.

In particolare, un braccio ha una resistenza e un condensatore connessi in serie (R1 e C1) mentre l'altro li ha in parallelo (R2 e C2).

Questo indica che questi due bracci della rete si comportano nello stesso modo di un filtro passa-alto o filtro passa-basso, imitando il comportamento del circuito mostrato dalla Figura 1b.

In questo circuito, alle alte frequenze, la reattività dei condensatori C1 e C2 sarà molto inferiore, per cui la tensione V0 diventerà zero poiché R2 sarà cortocircuitato.

Successivamente, alle basse frequenze, la reattività dei condensatori C1 e C2 diventerà molto alta.

Tuttavia, anche in questo caso, la tensione di uscita V0 rimarrà a zero, poiché il condensatore C1 agirà come un circuito aperto.

Questo tipo di comportamento esibito dalla rete a ponte di Wien la rende un circuito anticipatore-retardatore rispettivamente alle basse e alte frequenze.

Calcolo della Frequenza dell'Oscillatore a Ponte di Wien

Tuttavia, tra queste due frequenze, alta e bassa, esiste una frequenza specifica in cui i valori della resistenza e della reattività capacitiva diventano uguali, producendo la massima tensione di uscita.

Questa frequenza è chiamata frequenza di risonanza. La frequenza di risonanza per un Oscillatore a Ponte di Wien viene calcolata utilizzando la seguente formula:

Inoltre, a questa frequenza, lo sfasamento tra l'ingresso e l'uscita diventa zero e l'ampiezza della tensione di uscita diventa uguale a un terzo del valore d'ingresso. In aggiunta, si vede che il Ponte di Wien sarà bilanciato solo a questa particolare frequenza.

Nel caso di un Oscillatore a Ponte di Wien, la rete a ponte di Wien della Figura 1 verrà utilizzata nel percorso di feedback come mostrato nella Figura 2. Il diagramma del circuito per un Oscillatore a Ponte di Wien utilizzando un BJT (Transistor Bipolare a Giunzione) è mostrato di seguito:

In questi oscillatori, la sezione amplificatrice sarà costituita da un amplificatore a due stadi formato dai transistor, Q1 e Q2, in cui l'uscita di Q2 viene retroalimentata come ingresso a Q1 tramite la rete a ponte di Wien (mostrata all'interno della scatola blu nella figura).

Qui, il rumore intrinseco nel circuito causerà una variazione della corrente di base di Q1 che apparirà al suo punto di raccolta dopo essere stato amplificato con uno sfasamento di 180°.

Questo viene alimentato come ingresso a Q2 tramite C4 e viene ulteriormente amplificato e appare con uno sfasamento aggiuntivo di 180°.

Questo fa sì che lo sfasamento netto del segnale retroalimentato alla rete a ponte di Wien sia 360°, soddisfacendo il criterio di sfasamento per ottenere oscillazioni sostenute.

Tuttavia, questa condizione sarà soddisfatta solo nel caso della frequenza di risonanza, per cui gli oscillatori a ponte di Wien saranno altamente selettivi in termini di frequenza, portando a un design stabilizzato in frequenza.

Gli oscillatori a ponte di Wien possono essere progettati anche utilizzando amplificatori operazionali come parte della loro sezione amplificatrice, come mostrato nella Figura 3.

Tuttavia, è importante notare che, qui, l'amplificatore operazionale deve agire come un amplificatore non invertente poiché la rete a ponte di Wien offre uno sfasamento nullo.

Inoltre, dal circuito, è evidente che la tensione di uscita viene retroalimentata sia al terminale di ingresso invertente che non invertente.

Alla frequenza di risonanza, le tensioni applicate ai terminali invertente e non invertente saranno uguali e in fase tra loro.

Tuttavia, anche qui, il guadagno di tensione dell'amplificatore deve essere superiore a 3 per avviare le oscillazioni e uguale a 3 per mantenerle. In generale, questi tipi di oscillatori a ponte di Wien basati su amplificatori operazionali non possono operare al di sopra di 1 MHz a causa delle limitazioni imposte dal loro guadagno a ciclo aperto.

Le reti a ponte di Wien sono oscillatori a bassa frequenza utilizzati per generare frequenze audio e sub-audio comprese tra 20 Hz e 20 KHz.

Inoltre, forniscono un'uscita sinusoidale stabile e poco distorta su un ampio intervallo di frequenza che può essere selezionato utilizzando casse di resistenze decennali.

In aggiunta, la frequenza di oscillazione in questo tipo di circuito può essere variata abbastanza facilmente, in quanto richiede solo la variazione dei condensatori C1 e C2.