Мостовой генератор Вина: схема и расчет частоты

Что такое Wien Bridge Oscillator?

Wien-Bridge Oscillator - это тип фазового сдвигающего генератора, основанный на сети Wien-Bridge (Рисунок 1a), состоящей из четырех плеч, соединенных в виде моста. Два плеча являются чисто резистивными, а два других плеча представляют собой комбинацию резисторов и конденсаторов.

В частности, одно плечо имеет резистор и конденсатор, соединенные последовательно (R1 и C1), а другое имеет их параллельно (R2 и C2).

Это указывает на то, что эти два плеча сети ведут себя так же, как фильтр высоких частот или фильтр низких частот, имитируя поведение цепи, показанной на Рисунке 1b.

В этой схеме при высоких частотах реактивное сопротивление конденсаторов C1 и C2 будет значительно меньше, в результате чего напряжение V0 станет равным нулю, так как R2 будет замкнуто.

Затем, при низких частотах, реактивное сопротивление конденсаторов C1 и C2 станет очень большим.

Однако даже в этом случае выходное напряжение V0 останется равным нулю, так как конденсатор C1 будет действовать как разомкнутый контур.

Такое поведение, демонстрируемое сетью Wien-Bridge, делает ее цепью опережения-запаздывания в случае низких и высоких частот соответственно.

Вычисление частоты Wien Bridge Oscillator

Тем не менее, между этими двумя высокими и низкими частотами существует определенная частота, при которой значения сопротивления и емкостного реактивного сопротивления станут равными друг другу, создавая максимальное выходное напряжение.

Эта частота называется резонансной частотой. Резонансная частота для Wien Bridge Oscillator вычисляется с помощью следующей формулы:

Кроме того, при этой частоте фазовый сдвиг между входом и выходом станет равным нулю, а величина выходного напряжения станет равной одной трети входного значения. Кроме того, наблюдается, что Wien-Bridge будет сбалансирован только на этой конкретной частоте.

В случае Wien-Bridge oscillator, сеть Wien-Bridge, показанная на Рисунке 1, будет использоваться в обратной связи, как показано на Рисунке 2. Схема Wein Oscillator, использующего BJT (Биполярный транзистор с переходом), показана ниже:

В этих генераторах усилительный каскад состоит из двухкаскадного усилителя, образованного транзисторами Q1 и Q2, где выход Q2 подается обратно на вход Q1 через сеть Wien-Bridge (показана в синей рамке на рисунке).

Здесь шум, присущий схеме, вызовет изменение базового тока Q1, который появится на его коллекторе после усиления с фазовым сдвигом 180°.

Это подается на вход Q2 через C4 и далее усиливается, появляясь с дополнительным фазовым сдвигом 180°.

Это делает общую фазовую разницу сигнала, подаваемого обратно в сеть Wien-Bridge, равной 360°, удовлетворяя критерию фазового сдвига для получения устойчивых колебаний.

Однако это условие будет выполнено только в случае резонансной частоты, поэтому Wien-Bridge генераторы будут высоко селективны по частоте, что приводит к стабилизированному по частоте дизайну.

Wien-bridge генераторы также могут быть спроектированы с использованием ОУ в качестве части их усилительного каскада, как показано на Рисунке 3.

Однако следует отметить, что здесь ОУ должен действовать как неинвертирующий усилитель, так как сеть Wien-Bridge обеспечивает нулевой фазовый сдвиг.

Далее, из схемы видно, что выходное напряжение подается обратно на инвертирующий и неинвертирующий входные терминалы.

На резонансной частоте напряжения, приложенные к инвертирующему и неинвертирующему входам, будут равны и находиться в фазе друг с другом.

Однако, даже здесь, коэффициент усиления усилителя должен быть больше 3, чтобы начать колебания, и равен 3, чтобы поддерживать их. В целом, такие ОУ-основанные Wien Bridge Oscillators не могут работать выше 1 МГц из-за ограничений, накладываемых на них их открытым коэффициентом усиления.

Сети Wien-Bridge являются низкочастотными генераторами, которые используются для генерации звуковых и субзвуковых частот в диапазоне от 20 Гц до 20 КГц.

Кроме того, они обеспечивают стабилизированный, малодисторсированный синусоидальный выход в широком диапазоне частот, который можно выбрать с помощью десятичных резистивных коробок.

Кроме того, частота колебаний в таких схемах может легко изменяться, так как для этого достаточно изменить конденсаторы C1 и C2.