Wien Bridge Oszillator: Krets och frekvensberäkning

Vad är en Wien Bridge Oscillator?

En Wien-Bridge Oscillator är en typ av fasförskjutningsoscillator som bygger på ett Wien-Bridge-nätverk (Figur 1a) bestående av fyra armar anslutna i form av en bro. Här är två armar rena motstånd medan de andra två armarna är en kombination av motstånd och kondensatorer.

Speciellt har en arm motstånd och kondensator kopplade i serie (R1 och C1) medan den andra har dem parallellt (R2 och C2).

Detta indikerar att dessa två armar i nätverket beter sig identiskt med det av en högpassfilter eller lågpassfilter, vilket efterliknar beteendet hos kretsen som visas i Figur 1b.

I denna krets, vid höga frekvenser, kommer reaktansen för kondensatorerna C1 och C2 att vara mycket mindre, vilket gör att spänningen V0 blir noll eftersom R2 shortas.

Därefter, vid låga frekvenser, blir reaktansen för kondensatorerna C1 och C2 mycket hög.

Även i detta fall kommer utspänningen V0 att förbli noll, eftersom kondensatorn C1 skulle fungera som en öppen krets.

Detta beteende som visar Wien-Bridge-nätverket gör det till en lead-lag-krets i fallet med låga respektive höga frekvenser.

Beräkning av Wien Bridge Oscillators frekvens

Trots detta, mellan dessa två höga och låga frekvenser, finns det en viss frekvens vid vilken värdena för motståndet och kapacitiva reaktans kommer att bli lika med varandra, vilket producerar den maximala utspänningen.

Denna frekvens kallas resonansfrekvens. Resonansfrekvensen för en Wein Bridge Oscillator beräknas med följande formel:

Vid denna frekvens kommer fasförflyttningen mellan ingång och utgång att bli noll och magnituden av utspänningen kommer att bli lika med en tredjedel av ingångsvärdet. Dessutom ser man att Wien-Bridge endast balanseras vid just denna specifika frekvens.

I fallet med Wien-Bridge oscillator, kommer Wien-Bridge-nätverket i figur 1 att användas i återkopplingsvägen som visas i figur 2. Kretsschemat för en Wein Oscillator med hjälp av en BJT (Bipolar Junction Transistor) visas nedan:

I dessa oscillators består förstärkaravsnittet av en tvåstegsförstärkare bildad av transistorerna, Q1 och Q2, där utgången från Q2 matas tillbaka som indata till Q1 via Wien-Bridge-nätverket (visas inom den blå området i figuren).

Här orsakar bruset i kretsen en förändring i basströmmen av Q1 som kommer att framträda vid dess kollektorpunkt efter att ha förstärkts med en fasförflyttning på 180°.

Detta matas som indata till Q2 via C4 och får ytterligare förstärkas och dyker upp med en ytterligare fasförflyttning på 180°.

Detta gör att den totala fasforskjutningen av signalen som matas tillbaka till Wien-Bridge-nätverket blir 360°, vilket uppfyller fasförflyttningsekriteriet för att erhålla upprätthållande oscillationer.

Dock kommer detta villkor endast att uppfyllas i fallet med resonansfrekvens, vilket gör att Wien-Bridge-oscillatorerna är mycket selektiva när det gäller frekvens, vilket leder till en frekvensstabiliserad design.

Wien-bridge oscillators kan även konstrueras med Op-Amps som en del av deras förstärkaravsnitt, som visas i figur 3.

Det bör noteras att här behöver Op-Amp fungera som en icke-inverterande förstärkare eftersom Wien-Bridge-nätverket ger noll fasförflyttning.

Vidare är det uppenbart från kretsen att utspänningen matas tillbaka till både inverterande och icke-inverterande ingångsterminaler.

Vid resonansfrekvens kommer spänningarna som appliceras till inverterande och icke-inverterande terminaler att vara lika och i fas med varandra.

Dock måste även här förstärkaren ha en större spänningsförstärkning än 3 för att starta oscillationer och lika med 3 för att upprätthålla dem. I allmänhet kan dessa typiska Op-Amp-baserade Wien Bridge Oscillators inte fungera över 1 MHz på grund av begränsningar som införs av deras öppna slutförstärkning.

Wien-Bridge-nätverk är lågfrekvensoscillatorer som används för att generera ljud- och sub-ljudfrekvenser mellan 20 Hz och 20 KHz.

De ger stabiliserad, lågdistortionerad sinusformad utgång över ett brett frekvensintervall som kan väljas med decads motståndsboxar.

Vidare kan oscillationsfrekvensen i denna typ av krets variera ganska lätt eftersom det bara krävs variation av kondensatorerna C1 och C2.