このチュートリアルでは、ドイツの物理学者MaxWienによって開発されたWeinBridgeOscillatorについて学習します。もともとは、抵抗と周波数がわかっている静電容量を計算するために開発されました。実際にウィーンブリッジオシレーターとは何か、そしてそれがどのように使用されるかについてさらに深く議論する前に、オシレーターとは何か、そしてウェインブリッジオシレーターとは何かを見てみましょう。
ウィーンブリッジ発振器:
前のRC発振器のチュートリアルと同様に、位相シフトを生成するには抵抗とコンデンサが必要です。反転仕様でアンプを接続し、アンプとRCネットワークをフィードバック接続で接続すると、アンプの出力が生成を開始します。発振による正弦波。
ウィーンブリッジ発振回路2つのRCネットワークが使用されている増幅器を横切って発振回路を生成します。
しかし、なぜウィーンブリッジ発振器を選択する必要があるのでしょうか。
以下の点から、ウィーンブリッジ発振器は正弦波を生成するためのより賢明な選択です。
- 安定しています。
- 歪みまたはTHD(全高調波歪み)は制御可能な制限を下回っています。
- 周波数を非常に効果的に変更できます。
前に述べたように、ウィーンブリッジ発振器には2段のRCネットワークがあります。これは、ハイパスおよびローパスフィルター構成の2つの無極性コンデンサと2つの抵抗で構成されていることを意味します。一方、直列に1つの抵抗と1つのコンデンサ、並列に形成された1つのコンデンサと1つの抵抗。回路を構築すると、回路図は次のようになります。-
はっきりとわかるように、2つのコンデンサがあり、2つの抵抗が使用されています。ハイパスとして機能するRCステージと、2次ステージの周波数依存性を蓄積するバンドパスフィルターの積であるローパスフィルターを接続したもの。R1とR2の抵抗は同じであり、C1とC2の静電容量も同じです。
ウィーンブリッジ発振器の出力ゲインと位相シフト:
上の画像のRCネットワーク回路内で何が起こっているかは非常に興味深いものです。
低周波数が適用されると、最初のコンデンサ(C1)のリアクタンスが十分に高くなり、入力信号をブロックして回路に抵抗し、0の出力を生成します。一方、2番目のコンデンサ(C2)でも同じことが、並列接続。C2リアクタンスが低くなりすぎて信号をバイパスし、再び0出力を生成します。
ただし、C1リアクタンスが高くなく、C2リアクタンスが低くない中周波数の場合、C2ポイント全体に出力が得られます。この周波数は共振周波数と呼ばれます。
回路の内部を詳しく見ると、共振周波数が達成された場合、回路のリアクタンスと回路の抵抗が等しいことがわかります。
したがって、回路が入力両端の共振周波数によって提供される場合、このような場合に適用される2つのルールがあります。
A.入力と出力の位相差は0度です。
B. 0度なので、出力は最大になります。しかし、いくらですか?それは密接にまたは正確に1/3であるRD入力信号の大きさの。
回路の出力を見ると、それらの点がわかります。
出力は、表示されている画像とまったく同じ曲線です。 1Hzからの低周波数では、出力はほぼ0であり、入力の周波数とともに共振周波数まで増加します。共振周波数に達すると、出力は最大ピークポイントになり、周波数の増加とともに連続的に減少します。高周波で0の出力を生成します。したがって、それは明らかに特定の周波数範囲を通過し、出力を生成しています。そのため、以前は周波数依存可変バンド(周波数バンド)パスフィルターとして説明されていました。出力の位相シフトを注意深く見ると、適切な共振周波数で出力全体に0度の位相マージンがはっきりとわかります。
この位相出力曲線では、位相は共振周波数で正確に0度であり、入力周波数が共振周波数に達するまで増加すると、90度から0度で減少し始め、その後、位相は-の終点で減少し続けます。 90度。フェーズがある場合は、両方の場合に使用される2つの用語がありますが、ポジティブ それが呼ばれ位相進み 、負の場合には、それは次のように呼ばれている位相遅延。
このシミュレーションビデオでは、フィルターステージの出力を確認します。
このビデオでは、R1の両方でRとして使用される4.7k、R2と10nFのコンデンサがC1とC2の両方に使用されています。ステージ全体に正弦波を適用し、オシロスコープでは黄色のチャネルが回路の入力を示し、青い線が回路の出力を示しています。よく見ると、出力振幅は入力信号の3分の1であり、出力位相は前述のように共振周波数の0度の位相シフトとほぼ同じです。
共振周波数と電圧出力:
R1 = R2 = Rまたは同じ抵抗が使用され、コンデンサC1 = C2 = Cの選択に同じ静電容量値が使用されると考えると、共振周波数は次のようになります。
Fhz = 1 /2πRC
Rは抵抗を表し、Cはコンデンサまたは静電容量を表し、Fhzは共振周波数を表します。
RCネットワークのVoutを計算する場合は、回路を別の方法で確認する必要があります。
このRCネットワークはAC信号入力で動作します。DCの場合の回路抵抗を計算するのではなく、ACの場合の回路抵抗を計算するのは少し注意が必要です。
RCネットワークは、印加されたAC信号の抵抗として機能するインピーダンスを生成します。分圧器には2つの抵抗があり、これらのRCステージでは、2つの抵抗は第1フィルター(C1 R1)インピーダンスと第2フィルター(R2 C2)インピーダンスです。
コンデンサが直列または並列構成で接続されているため、インピーダンスの式は次のようになります。
Zはインピーダンスの記号、Rは抵抗、Xcはコンデンサの容量性リアクタンスを表します。
同じ式を使用して、第1段階のインピーダンスを計算できます。
以下の場合には第二段階は、式は、並列等価抵抗を計算することと同じであり、
Zはインピーダンス、
Rは抵抗です。
Xはコンデンサです
回路の最終インピーダンスは、次の式を使用して計算できます。
実用例を計算して、そのような場合の出力を見ることができます。
値を計算して結果を見ると、出力電圧が入力電圧の3分の1になることがわかります。
2段RCフィルター出力を非反転アンプ入力ピンまたは+ Vinピンに接続し、ゲインを調整して損失を回復すると、出力は正弦波を生成します。それがウィーンブリッジ発振であり、回路はウィーンブリッジ発振器回路です。
ウィーンブリッジ発振器の作業と建設:
上の画像では、RCフィルターは非反転構成のオペアンプに接続されています。 R1とR2は固定値抵抗ですが、C1とC2は可変トリムコンデンサです。これら2つのコンデンサの値を同時に変化させることにより、低域から高域へと適切な発振を得ることができました。ウィーンブリッジ発振器を使用して、低域から高域までさまざまな周波数の正弦波を生成する場合に非常に便利です。また、R3とR4はオペアンプのフィードバックゲインに使用されます。出力ゲインまたは増幅は、これら2つの値の組み合わせに大きく依存します。 2つのRCステージが出力電圧を1/3に下げるので、それを元に戻すことが不可欠です。少なくとも3倍または3倍以上(4倍を推奨)のゲインを取得することも賢明な選択です。
1+(R4 / R3)の関係を使用してゲインを計算できます。
もう一度画像を見ると、出力からのオペアンプのフィードバックパスがRCフィルタの入力段に直接接続されていることがわかります。2段RCフィルタは、共振周波数領域で0度の位相シフトの特性を持ち、オペアンプの正帰還に直接接続されているため、xV +であり、負帰還では同じ電圧が印加されます。これはxV-です。同じ0度の位相で、オペアンプは2つの入力を区別し、負のフィードバック信号を除外します。これにより、RCステージ間で接続された出力がオペアンプが発振し始めます。
より高いスルーレートを使用すると、より高い周波数のオペアンプで出力周波数を大幅に最大化できます。
このセグメントには高周波オペアンプがほとんどありません。
また、前のRC発振器のチュートリアルで負荷効果について説明したように、負荷効果を減らして確実にするために、RCフィルタよりも入力インピーダンスの高いオペアンプを選択する必要があります。適切な安定した振動。
- LM318A
- LT1192
- MAX477
- LT1226
- OPA838
- 900 mHzの高シードオペアンプであるTHS3491!
- 10 GhzGBW差動オペアンプであるLTC6409。言うまでもなく、この高周波出力を実現するには、特別なアドオン回路と非常に優れたRF設計戦術が必要です。
- LTC160
- OPA365
- TSH22工業用オペアンプ。
ウィーンブリッジ発振器の実用例:
抵抗とコンデンサの値を選択して、実際の値の例を計算してみましょう。
この画像では、RC発振器の場合、R1とR2の両方に4.7kの抵抗が使用されています。また、2極のトリマコンデンサを使用すると、C1とC2のトリミング容量が1〜100nFになります。1nF、50nF、100nFの発振周波数を計算してみましょう。また、オペアンプのゲインは、R3を100kとして選択し、R4を300kとして選択して計算します。
周波数の計算は次の式で簡単です。
Fhz = 1 /2πRC
Cの値が1nFで、抵抗が4.7kの場合、周波数は次のようになります。
Fhz = 33,849Hzまたは33.85KHz
Cの値が50nFで、抵抗が4.7kの場合、周波数は次のようになります。
Fhz = 677Hz
Cの値が100nFで、抵抗が4.7kの場合、周波数は次のようになります。
Fhz = 339Hz
したがって、1nFを使用して達成できる最高周波数は33.85 Khzであり、100nFを使用して達成できる最低周波数は339Hzです。
オペアンプのゲインは1+(R4 / R3)です
R4 = 300k
R3 = 100k
したがって、ゲイン= 1+(300k + 100k)= 4x
オペアンプは、反転されていない「正」ピンの両端で入力の4倍のゲインを生成します。
したがって、この方法を使用することにより、可変周波数帯域幅のウィーンブリッジ発振器を生成できます。
アプリケーション:
コンデンサの正確な値を見つけることから、エレクトロニクスの分野で幅広いレベルのアプリケーションで使用されるウィーンブリッジ発振器。0度の位相安定発振器関連回路を生成するために、低ノイズレベルのため、さまざまなオーディオグレードレベルにも賢明な選択です。連続発振が必要なアプリケーション。