Wien Bridge Oszillator: Krets og frekvensberegning

Hva er en Wien Bridge Oscillator?

En Wien-Bridge Oscillator er en type faseforskyvingsoskillator som er basert på et Wien-Bridge nettverk (Figur 1a) bestående av fire armer koblet i broforbindelse. Her er to armer ren motstand, mens de to andre armene er en kombinasjon av motstander og kondensatorer.

Spesielt har en arm motstand og kondensator koblet i serie (R1 og C1) mens den andre har dem parallelt (R2 og C2).

Dette indikerer at disse to armene i nettverket oppfører seg identisk til en høyfrekvensfilter eller lavfrekvensfilter, som imiterer oppførselen til kretsen vist i figur 1b.

I denne kretsen, ved høyfrekvens, vil reaktansen til kondensatorene C1 og C2 være mye mindre, slik at spenningen V0 blir null da R2 blir kortsluttet.

Videre, ved lavfrekvens, blir reaktansen til kondensatorene C1 og C2 svært høy.

Selv i dette tilfellet vil utgangsspenningen V0 forbli null, fordi kondensator C1 ville fungere som en åpen sirkel.

Denne typen oppførsel vist av Wien-Bridge nettverket gjør det til en lead-lag-sirkel i henhold til lav og høy frekvens, henholdsvis.

Beregning av frekvens for Wien Bridge Oscillator

Likevel, mellom disse to høy- og lavfrekvensene, eksisterer det en spesifikk frekvens hvor verdien av motstanden og kapasitiv reaktans blir like, noe som produserer maksimal utgangsspenning.

Denne frekvensen refereres til som resonanfrekvens. Resonanfrekvensen for en Wien Bridge Oscillator beregnes ved hjelp av følgende formel:

Ved denne frekvensen blir faseforskjellen mellom inngang og utgang null, og størrelsen på utgangsspenningen blir lik en tredjedel av inngangsverdien. I tillegg ser vi at Wien-Bridge balanseres kun ved denne spesifikke frekvensen.

I tilfellet Wien-Bridge oskillator, brukes Wien-Bridge nettverket fra figur 1 i tilbakemeldingsveien som vist i figur 2. Kretsskjemaet for en Wien Oskillator med bruk av BJT (Bipolar Junction Transistor) vises nedenfor:

I disse oskulatorer, består forsterkerseksjonen av en to-trinns forsterker dannet av transistorer, Q1 og Q2, der utgangen av Q2 er tilbakeført som inngang til Q1 via Wien-Bridge nettverket (vist innenfor den blå området i figuren).

Her vil støy innebygd i kretsen forårsake en endring i base strøm av Q1 som vil dukke opp ved dens kollektorpunkt etter å være forstyrket med en faseforskyvning på 180°.

Dette sendes som inngang til Q2 via C4 og blir ytterligere forstyrket og dukker opp med en ytterligere faseforskyvning på 180°.

Dette gjør at den netto faseforskjellen av signalet som sendes tilbake til Wien-Bridge nettverket blir 360°, som tilfredsstiller faseforskyvningskriteriet for å oppnå vedvarende oskillasjoner.

Imidlertid vil dette kriteriet bare bli tilfredsstilt i tilfellet resonanfrekvens, som fører til at Wien-Bridge oskulatorer er høyselective i frekvens, noe som resulterer i en frekvensstabilisert design.

Wien-bridge oskulatorer kan også designes ved bruk av Op-Amps som en del av deres forsterkerseksjon, som vist i figur 3.

Det skal imidlertid merkes at her kreves det at Op-Ampen fungerer som en ikke-inverterende forsterker, siden Wien-Bridge nettverket tilbyr null faseforskyvning.

Videre, fra kretsen, er det tydelig at utgangsspenningen sendes tilbake til både inverterende og ikke-inverterende inngangsterminaler.

Ved resonanfrekvens, vil spenningene som anvendes på inverterende og ikke-inverterende terminaler være like og i fase med hverandre.

Dog, selv her, må forsterkningsfaktoren til forsterkeren være større enn 3 for å starte oskillasjoner og lik 3 for å vedlikeholde dem. Generelt kan disse Op-Amp-baserte Wien Bridge Oskulatorer ikke operere over 1 MHz pga begrensninger påført av deres åpne sløyfe forsterkningsfaktor.

Wien-Bridge nettverk er lavfrekvens oskulatorer som brukes til å generere lyd- og undertonefrekvenser mellom 20 Hz til 20 KHz.

Videre gir de stabilisert, lavt forvanskede sinusformet utgang over et bredt frekvensspekter som kan velges ved hjelp av tiårsmotstandsboxer.

I tillegg kan oskillasjonsfrekvensen i denne typen krets varieres ganske lett, da det bare trenger variasjon av kondensatorene C1 og C2.