ウィーンブリッジ発振回路：回路と周波数計算

Wien Bridge Oscillatorとは何か

Wien-Bridge Oscillatorは位相シフトオシレータの一種であり、Wien-Bridgeネットワーク（図1a）に基づいています。このネットワークは、ブリッジ形式で接続された4つのアームから構成されています。ここでは、2つのアームが純粋な抵抗性であり、他の2つのアームは抵抗器とコンデンサの組み合わせです。

特に、1つのアームには抵抗器とコンデンサが直列に接続され（R1 および C1）、もう1つのアームにはそれらが並列に接続されます（R2 および C2）。

これは、これらのネットワークの2つのアームが高域通過フィルタまたは低域通過フィルタと同じように振る舞い、図1bで示される回路の挙動を模倣することを示しています。

この回路では、高周波数では、コンデンサC1 および C2のリアクタンスが非常に小さくなるため、R2がショートされ、電圧V0はゼロになります。

次に、低周波数では、コンデンサC1 および C2のリアクタンスが非常に大きくなります。

しかし、この場合でも、出力電圧V0はゼロのままです。なぜなら、コンデンサC1はオープン回路として動作するからです。

このようなWien-Bridgeネットワークの挙動により、低周波数ではリード回路、高周波数ではラグ回路となります。

Wien Bridge Oscillatorの周波数計算

しかし、これらの高周波と低周波の中間には、抵抗値と容量性リアクタンスが等しくなり、最大出力電圧を生じる特定の周波数があります。

この周波数は共振周波数と呼ばれています。Wein Bridge Oscillatorの共振周波数は以下の式で計算されます：

さらに、この周波数では、入力と出力の位相差がゼロになり、出力電圧の大きさは入力値の1/3になります。また、Wien-Bridgeはこの特定の周波数でのみバランスします。

Wien-Bridge oscillatorの場合、図1のWien-Bridgeネットワークがフィードバックパスに使用されます（図2参照）。BJT（双極性接合トランジスタ）を使用したWein Oscillatorの回路図は以下の通りです：

これらのオシレータでは、アンプセクションはトランジスタQ1とQ2によって形成された2段アンプで構成され、Q2の出力はWien-Bridgeネットワーク（図中の青い枠内）を介してQ1の入力としてフィードバックされます。

ここで、回路に内在するノイズにより、Q1のベース電流が変化し、これが180°の位相差をもってコレクタポイントに増幅されて現れます。

これはC4を介してQ2への入力としてフィードされ、さらに増幅され、さらに180°の位相差をもって現れます。

これにより、Wien-Bridgeネットワークにフィードバックされる信号の総位相差が360°となり、持続的な振動を得るための位相差条件が満たされます。

ただし、この条件は共振周波数の場合にのみ満たされるため、Wien-Bridgeオシレータは周波数選択性が高く、周波数安定化設計となります。

Wien-bridgeオシレータは、アンプセクションにOp-Ampを使用して設計することもできます（図3参照）。

ただし、ここでは、Wien-Bridgeネットワークが位相差ゼロを提供するため、Op-Ampは非反転増幅器として動作する必要があります。

さらに、回路から明らかなように、出力電圧は反転入力端子と非反転入力端子の両方にフィードバックされます。

共振周波数では、反転入力端子と非反転入力端子に適用される電圧は等しく、同相になります。

ただし、ここでも、アンプの電圧ゲインは振動を開始するためには3より大きく、維持するためには3である必要があります。一般的に、これらのOp-AmpベースのWien Bridge Oscillatorsは、オープンループゲインの制限により1 MHz以上で動作することはできません。

Wien-Bridgeネットワークは、20 Hzから20 KHzの範囲のオーディオおよびサブオーディオ周波数を生成するために使用される低周波オシレータです。

さらに、これらは広い周波数範囲で安定した歪みの少ない正弦波出力を提供し、デカード抵抗ボックスを使用して選択することができます。

また、この種の回路では、コンデンサC1 および C2のバリエーションだけで振動周波数を簡単に変更することができます。

ただし、これらのオシレータは多くの回路部品を必要とし、ある最大周波数までしか動作しません。

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