Warum schwingt diese Schaltung?

Die folgende Schaltung ist ein Oszillator. Wenn ich es mit ltspice simuliere, erzeugt es tatsächlich eine Wellenform (obwohl es keine sehr reine Sinuswelle zu sein scheint).

Was ich nicht verstehe ist, warum es schwingt.

Die gesamte grundlegende Literatur, die ich bisher über Oszillatoren gelesen habe (Colpitts, Clapp, Hartley usw.), scheint darauf hinzudeuten, dass Oszillatorschaltungen sowohl Kondensatoren als auch Induktivitäten im "Tank" -Teil der Schaltung haben müssen.

Wenn Sie sich die Theorie ansehen, scheint es, als müssten Sie sowohl Kappen als auch Spulen haben, um einen Tank herzustellen, der eine richtige Resonanzfrequenz hat (die 1 / Sqrt [LC] -Formel), aber der "Tank" dieser Schaltung wird nur hergestellt aus Widerständen und Kondensatoren.

Wenn ich die Impedanzen für den Tank dieser Schaltung mit H-Topologie-Formeln berechne, scheint es so eingestellt zu sein, dass es wie ein großer Kondensator aussieht (mit Ausnahme des Masseschlusses in der Mitte).

Wenn jemand erklären könnte, warum diese Schaltung oszilliert und wie, würde ich es wirklich schätzen (sowohl intuitive/praktische als auch theoretische Erklärungen sind sehr willkommen).

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

"außer natürlich der Kurzschluss zum Boden in der Mitte" - ich denke, der Boden ist dort sehr wichtig.
Die Wien-Brücke ist ein Beispiel für einen reinen RC-Oszillator

Antworten (1)

Es ist ein Phasenverschiebungsoszillator.

Normalerweise wirkt die Rückkopplung vom Kollektor zur Basis "negativ", was für einige Verstärker ziemlich wichtig ist. Dies liegt daran, dass das Kollektorsignal das Inverse des Basissignals ist (auch bekannt als 180º phasenverschoben). Alles, was zurückgeführt wird, tut dies, ohne Schwingungen zu verursachen. Diese Art der Rückkopplung wird auch in Operationsverstärkern zur Steuerung der Verstärkung verwendet.

Auf der fraglichen Schaltung gibt es eine Reihe von Komponenten, die das Kollektorsignal aufnehmen und es so weit phasenverschieben, dass es bei einer bestimmten Frequenz in Phase mit dem Basissignal erscheint und es verstärkt. Dadurch schwingt es.

Auf technischer Ebene wirkt die um R2, R3, R4, C1, C2 und C3 gebildete Rückkopplung als "milder" Notch-Filter. Es sollte gesagt werden, dass die Absicht eines "guten" Kerbfilters darin besteht, eine Frequenz vollständig zu entfernen (z. B. 50 Hz oder 60 Hz, wenn Netzwechselstrom ein Problem ist). Die ausgeklinkte Frequenz wird um 180º phasenverschoben, und wenn sie nicht vollständig ausgeklinkt ist (wie bei einem guten Kerbfilter), wird der verbleibende Rest zurückgekoppelt und das ursprüngliche Basissignal verstärkt, wodurch es zum Schwingen gebracht wird.

Es spielt keine Rolle, ob das Signal um 20 dB gedämpft wird, es bleibt immer noch genug Signal übrig, um verstärkt zu werden und eine Sinuswelle zu erzeugen.

Tatsächlich ist die 20dB-Dämpfung bei der fo (Oszillationsfrequenz) ein gewünschtes Feature, um die positive Rückkopplung nicht zu sehr zu überlasten. Bei jeder Art von Rückkopplungsoszillator muss die positive Rückkopplung sorgfältig kontrolliert werden: zu viel davon und das aktive Hauptgerät wird gesättigt, zu wenig und die Schaltung schwingt überhaupt nicht (aufgrund von Verlusten in der Schleife).
@jose.angel.jimenez Sehr wahr, aber das Fehlen einer geeigneten Amplitudensteuerung macht diese Schaltung als reinen Sinusoszillator unzuverlässig.
Nützlicher Suchbegriff für diese Topologie: "Twin T" Filter oder Oszillator. Es kann (in einer Rückkopplungsschleife) zu einem sehr guten Kerbfilter oder selektiven Bandpassfilter sowie zu einigen sehr guten Oszillatoren (mit geeigneter Pegelsteuerung) gemacht werden.
@BrianDrummond: Vielen Dank dafür, sehr nützlich, führte mich zu Twin T Oszillator und Zobel Networks , die viel über die obige Schaltung erklären.
+1 Sehr gute Antwort. Sehr zugänglich für diejenigen, die mit dem Konzept nicht vertraut sind
Ja, aber Sie haben immer noch nicht beantwortet, wie dieser Schwingkreis ohne Spulen funktionieren kann. Auch mir wurde vor vielen Jahren in meinen Rundfunktechnik-Klassen beigebracht, dass "Schwingkreise" und Oszillatorschaltungen Induktivität und Kapazität erfordern.
DrTCH: Das stimmt nicht! Sie benötigen eine frequenzselektive Schaltung, die eine Schleifenverstärkung von Eins für eine einzelne Frequenz ermöglicht. Das ist alles (Schwingungsbedingung). Und dies kann mit RC- oder RLC-Filtern erreicht werden.
Wenn Sie verstehen wollen, warum diese Schaltung (und andere) schwingen, müssen Sie die Stabilitätsbedingungen suchen ... Die Wechselstromanalyse kann Ihnen helfen, aber auch, warum sie beginnt (Transientenanalyse).
Es ist ein Doppel-T-Oszillator ... theoretisch ... R4 = 60 kOhm = 120 kOhm / 2. da die Kapazität alleine doppelt so groß ist. Aber Sie können variieren ...
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