Wien Bridge Oscillator: 회로 및 주파수 계산

Wien Bridge Oscillator이란?

Wien-Bridge Oscillator는 위상 이동 오실레이터의 한 종류로, 다리 형태로 연결된 네 개의 팔을 가진 Wien-Bridge 네트워크(도 1a)를 기반으로 합니다. 여기서 두 팔은 순수한 저항성이며, 다른 두 팔은 저항기와 kondensator의 조합입니다.

특히, 한 팔에는 저항기와 커패시터가 직렬로 연결되어 있고 (R1 및 C1) 다른 팔에는 병렬로 연결되어 있습니다 (R2 및 C2).

이는 이러한 네트워크의 두 팔이 고역통과 필터 또는 저역통과 필터와 동일하게 작동함을 나타냅니다. 도 1b에서 보여주는 회로의 동작을 모방합니다.

이 회로에서 고주파에서는 C1 및 C2의 반응도가 매우 낮아져 V0가 R2가 단락되면서 0이 됩니다.

다음으로, 저주파에서는 C1 및 C2의 반응도가 매우 높아집니다.

그러나 이 경우에도 출력 전압 V0는 여전히 0으로 유지됩니다. C1가 오픈 회로처럼 작동하기 때문입니다.

Wien-Bridge 네트워크가 저주파와 고주파에서 각각 선도-지연 회로로 작동하는 이러한 특성을 나타냅니다.

Wien Bridge Oscillator 주파수 계산

그럼에도 불구하고, 이러한 두 고주파와 저주파 사이에는 저항값과 용량성 반응도가 서로 같아져 최대 출력 전압을 생성하는 특정 주파수가 존재합니다.

이 주파수는 공진 주파수라고 불립니다. Wein Bridge Oscillator의 공진 주파수는 다음 공식을 사용하여 계산됩니다:

또한, 이 주파수에서는 입력과 출력 간의 위상 이동이 0이 되고 출력 전압의 크기는 입력 값의 1/3이 됩니다. 또한, Wien-Bridge는 이 특정 주파수에서만 균형을 이루게 됩니다.

Wien-Bridge oscillator의 경우, Figure 1의 Wien-Bridge 네트워크가 피드백 경로에 사용됩니다 (Figure 2 참조). BJT (Bipolar Junction Transistor)를 사용한 Wein Oscillator의 회로도는 다음과 같습니다:

이 오실레이터들에서는 트랜지스터 Q1 및 Q2로 구성된 2단 증폭기가 포함되며, Q2의 출력이 Wien-Bridge 네트워크(그림의 파란색 상자 안)를 통해 Q1의 입력으로 피드백됩니다.

여기서 회로 내부의 잡음은 Q1의 베이스 전류를 변경하여, 180°의 위상 이동을 가진 채로 그 수집점에 나타납니다.

이는 C4를 통해 Q2의 입력으로 피드백되고, 추가적으로 180°의 위상 이동을 가진 채로 나타납니다.

이는 Wien-Bridge 네트워크로 피드백되는 신호의 총 위상 차이를 360°로 만듭니다. 지속적인 진동을 얻기 위한 위상 이동 기준을 충족합니다.

그러나 이 조건은 공진 주파수에서만 충족되므로, Wien-Bridge 오실레이터는 주파수 선택성이 높아지고, 주파수 안정화 설계로 이어집니다.

Wien-bridge 오실레이터는 Op-Amps를 증폭기 섹션의 일부로 사용하여 설계할 수도 있습니다 (Figure 3 참조).

그러나 여기서 Op-Amp는 Wien-Bridge 네트워크가 0 위상 이동을 제공하므로 비역전 증폭기로 작동해야 합니다.

또한, 회로에서 출력 전압이 역전 및 비역전 입력 단자 모두에 피드백됨을 알 수 있습니다.

공진 주파수에서, 역전 및 비역전 단자에 적용되는 전압은 서로 동일하고 동위상입니다.

그러나 여기에서도 증폭기의 전압 이득은 진동을 시작하기 위해 3보다 크고, 이를 유지하기 위해 3이어야 합니다. 일반적으로, 이러한 Op-Amp 기반 Wien Bridge Oscillators는 오픈 루프 이득의 제한으로 인해 1 MHz 이상에서는 작동하지 않습니다.

Wien-Bridge 네트워크는 20 Hz부터 20 KHz까지의 오디오 및 서브-오디오 주파수를 생성하기 위해 사용되는 저주파 오실레이터입니다.

또한, 이들은 광범위한 주파수 범위에서 안정적이고 왜곡이 적은 사인파 출력을 제공하며, 이를 10진법 저항 박스를 사용하여 선택할 수 있습니다.

더욱이, 이러한 회로에서 진동 주파수는 C1 및 C2의 변화만으로 쉽게 변할 수 있습니다.

그러나 이러한 오실레이터들은 많은 수의 회로 구성 요소가 필요하며, 특정 최대 주파수까지만 작동할 수 있습니다.

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