Wien Bridge Oscillator: Schakeling en frequentieberekening

Wat is een Wien Bridge Oscillator?

Een Wien-Bridge Oscillator is een type fasewisseloscillator dat gebaseerd is op een Wien-Bridge netwerk (Figuur 1a) bestaande uit vier armen die in brugvorm zijn verbonden. Twee armen zijn zuiver weerstandig, terwijl de andere twee armen een combinatie zijn van weerstanden en condensatoren.

In het bijzonder heeft één arm een weerstand en condensator in serie (R1 en C1), terwijl de andere ze parallel heeft (R2 en C2).

Dit betekent dat deze twee armen van het netwerk identiek gedragen als een hoogdoorlaatfilter of laagdoorlaatfilter, waarbij het gedrag van het circuit wordt weergegeven door Figuur 1b.

In dit circuit zal bij hoge frequenties de reactantie van de condensatoren C1 en C2 veel kleiner zijn, waardoor de spanning V0 nul wordt, omdat R2 wordt gesloten.

Daarnaast, bij lage frequenties, zal de reactantie van de condensatoren C1 en C2 zeer hoog worden.

Ook in dit geval zal de uitgangsspanning V0 echter nul blijven, omdat de condensator C1 als een open circuit zou werken.

Dit soort gedrag van het Wien-Bridge netwerk maakt het een lead-lag circuit in het geval van respectievelijk lage en hoge frequenties.

Frequentieberekening van de Wien Bridge Oscillator

Niettemin, tussen deze twee hoge en lage frequenties, bestaat er een bepaalde frequentie waarbij de waarden van de weerstand en de capacitaire reactantie gelijk aan elkaar zullen zijn, wat de maximale uitgangsspanning oplevert.

Deze frequentie wordt resonantiefrequentie genoemd. De resonantiefrequentie voor een Wein Bridge Oscillator wordt berekend met behulp van de volgende formule:

Bovendien, bij deze frequentie, zal de faseverschuiving tussen de ingang en de uitgang nul worden en de magnitude van de uitgangsspanning gelijk zijn aan een derde van de ingangswaarde. Bovendien wordt de Wien-Bridge alleen bij deze specifieke frequentie in evenwicht gebracht.

In het geval van Wien-Bridge oscillator, zal het Wien-Bridge netwerk van Figuur 1 in de feedbacklus worden gebruikt zoals getoond in Figuur 2. Het schema voor een Wein Oscillator met gebruik van een BJT (Bipolaire Junction Transistor) is hieronder getoond:

In deze oscillators zal de versterkersectie bestaan uit een tweestapsversterker gevormd door de transistors, Q1 en Q2, waarbij de uitgang van Q2 terug wordt gevoerd als ingang voor Q1 via het Wien-Bridge netwerk (getoond binnen de blauwe omlijning in de figuur).

Hier zal het inherente ruis in het circuit een verandering veroorzaken in de basis stroom van Q1, die na versterking met een faseverschuiving van 180o op het collectorpunt verschijnt.

Dit wordt als ingang gevoed naar Q2 via C4 en wordt verder versterkt en verschijnt met een extra faseverschuiving van 180o.

Dit maakt de netto faseverschil van het signaal dat terug wordt gevoed naar het Wien-Bridge netwerk 360o, waarmee de faseverschuifingsvoorwaarde wordt voldaan om voortdurende oscillaties te verkrijgen.

Deze voorwaarde zal echter alleen vervuld zijn bij de resonantiefrequentie, waardoor de Wien-Bridge oscillators zeer selectief zijn qua frequentie, wat leidt tot een frequentiestabilisering.

Wien-bridge oscillators kunnen ook worden ontworpen met Op-Amps als onderdeel van hun versterkersectie, zoals getoond in Figuur 3.

Het is echter belangrijk op te merken dat de Op-Amp hier als een niet-inverterende versterker moet fungeren, omdat het Wien-Bridge netwerk geen faseverschuiving biedt.

Verder is duidelijk uit het schema dat de uitgangsspanning wordt teruggevoerd naar zowel de inverterende als de niet-inverterende ingangsterminals.

Bij de resonantiefrequentie zullen de spanningen die worden toegepast op de inverterende en niet-inverterende terminals gelijk en in fase met elkaar zijn.

Toch moet de spanningsversterking van de versterker groter zijn dan 3 om oscillaties te starten en gelijk aan 3 om ze te handhaven. In het algemeen kunnen deze soort Op-Amp-gebaseerde Wien Bridge Oscillators niet boven 1 MHz werken vanwege de beperkingen die hun openlusversterking oplegt.

Wien-Bridge netwerken zijn lage frequentie oscillators die worden gebruikt om audio- en sub-audiofrequenties te genereren, variërend van 20 Hz tot 20 KHz.

Verder leveren ze gestabiliseerde, laag vervormde sinusvormige uitgang over een breed frequentiebereik, dat kan worden geselecteerd met decenniale weerstandskastjes.

Bovendien kan de oscillatiefrequentie in dit soort circuit vrij eenvoudig worden gewijzigd, aangezien het slechts nodig is om de condensatoren C1 en C2 te variëren.