Wien-Brücken-Sinusoszillator

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Ich würde überprüfen, ob im Sinusoszillator der Wien-Brücke die Verstärkung A_V = 1 + (R5 + R4) / R3) tatsächlich A_V = 3 ist, wie es das Barkhausen-Stabilitätskriterium erfordert. Also baue ich diese Schaltung mit einem Potentiometer von 10k anstelle von R4 und erhalte, dass für R4=6,38K (also R3 wird 13,7k) die Oszillation beginnt. Mit dieser Konfiguration sollte die Schaltung eine Verstärkung A_V = 2,2 haben (mit der zuvor erwähnten Formel), aber ich beobachte eine Verstärkung von 2,9-3. Wie kann ich den Beitrag der Dioden zur Verstärkungsformel berücksichtigen?

Was Sie gezeigt haben, ist kein Oszillator. Es gibt keine frequenzabhängige Rückkopplung. Ihr "R3 wird 13,7k" macht keinen Sinn. Versuchen Sie es mit einer besseren Erklärung.
Natürlich ist es kein Oszillator. Um einen Oszillator zu erhalten, müssen Sie den Punkt A über einen Kurzschluss mit dem nichtinvertierenden Eingang V+ verbinden (ohne die sinusförmige Spannungsquelle). Nun hält die Schaltung gemäß dem Barkhausen-Stabilitätskriterium stationäre Oszillationen nur für Frequenzen aufrecht, für die die Schleifenverstärkung = 1 ist. Wenn Sie diese Bedingung in diesem Fall berechnen, erhalten Sie A_V=3. Also baue ich eine neue Schaltung , um zu überprüfen, ob tatsächlich A_V = 3 ist, wenn die Oszillation beginnt.
gilgameshd, warum nicht die Loop-Verstärkung direkt messen? Verbinden Sie Knoten A mit dem Nicht-Inv. Operationsverstärkereingang und trennen Sie den positiven Rückkopplungspfad R7 ... C1 ..... Jetzt - erregen Sie diesen Pfad (über R7) mit einem Testsignal und messen Sie die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers.

Antworten (1)

Die gemessene Verstärkung hängt von der Amplitude des Signals in dieser Schaltung ab. Dies ist die Funktion der Dioden.

Wenn beispielsweise die Ausgangssignalamplitude klein ist (z. B. weniger als 0,6 V), leitet keine der Dioden über dem Widerstand (R6 ? - es ist verborgen), und Ihre Verstärkung beträgt das 4-fache (mit den 10k-Widerständen). Wenn die Amplitude etwa 2,4 V Spitze überschreitet, leiten die Dioden an den Extremen des sinusförmigen Ausgangs und begrenzen die Spannung über R6 effektiv auf etwa 0,6 V. Dies reduziert die Verstärkung über diese Amplitude hinaus auf das Dreifache (die anderen Widerstände steuern sie). ).

Wenn Sie ein Diagramm zeichnen würden, wäre die Verstärkung (Steigung von VOUT vs. VIN) 4x, bis die Spitzen 2,4 V erreichten, und würde sich dann für den Teil des Signals darüber hinaus auf 3x reduzieren. Da sich die Verstärkung mit der Signalamplitude ändert, würden Sie Verzerrungen erhalten.

Dies ist der genaue Zweck der Dioden in dieser Schaltung - sie ermöglichen eine Änderung der Verstärkung, und wenn Sie die Widerstände (und andere Komponenten) richtig einstellen, ist die Gesamtschleifenverstärkung für kleine Signalamplituden gerade größer als 1 und Schwingungen wird sich aufbauen. Wenn die Amplitude jedoch etwa 2,4 V erreicht, fällt die Verstärkung ab, und die Amplitude stabilisiert sich ungefähr dort, wo die „durchschnittliche“ Verstärkung 1,0 beträgt

Wenn die Oszillation bereits gestartet ist (und die Schwelle von 2,4 V überschritten wird), geht durch Erhöhen der Eingangsspannung die Verstärkung A_V = 1 + (R5 + R4) / R3) schnell zurück ... dieser Effekt sollte mit Dioden verbunden werden. Wie kann ich den Beitrag der Dioden zur Verstärkungsformel berücksichtigen, um diesen Effekt einzubeziehen?
Es gibt keine Möglichkeit, dies analytisch genau zu tun. Berücksichtigen Sie als grobe Annäherung, dass die Ausgangsspannungsspitze an jeder Diode auf etwa 0,6 V begrenzt ist. An diesem Punkt beginnt der Gewinn zu fallen. Wenn (vor diesem Punkt) die Verstärkung des Verstärkers nur geringfügig > 3 ist, fällt sie auf < 3, wenn die Amplitude so ist, dass 0,6 V an der Diode anliegen. Dies bedeutet, dass der Spitzenwert V das Dreifache oder etwa 1,8 V beträgt.
Grundsätzlich stimme ich den jp314-Kommentaren zu. Aber man sollte bedenken, dass die Ausgangsamplitude von der Höhe der "überschüssigen Schleifenverstärkung" abhängt. Das heißt: Wenn die Kleinsignal-Schleifenverstärkung bei w=wo LG=1,3 ist, brauchen wir mehr Widerstandsreduzierung (Diodenöffnung) als bei LG=1,1. Im letzteren Fall öffnen die Dioden nur wenig und der entsprechende Spannungsabfall beträgt vielleicht nur (0,3...0,4) Volt (statt 0,6 V)
Wien-Brücken-Sinusoszillator
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