- Wein Bridge 발진기 :
- Wein Bridge 오실레이터 출력 이득 및 위상 편이 :
- 공진 주파수 및 전압 출력 :
- Wein Bridge Oscillator의 작동 및 구성 :
- Wein Bridge Oscillator의 실제 예 :
- 신청 :
이 튜토리얼에서는 독일의 물리학 자 Max Wien 이 개발 한 Wein Bridge Oscillator에 대해 알아 봅니다. 원래 저항과 주파수가 알려진 정전 용량을 계산하기 위해 개발되었습니다. Wein Bridge Oscillator가 실제로 무엇 이고 어떻게 사용되는지 에 대한 심도있는 논의를 진행하기 전에 Oscillator가 무엇인지, Wein Bridge Oscillator가 무엇인지 살펴 보겠습니다.
Wein Bridge 발진기:
RC Oscillator의 이전 튜토리얼에서와 같이 위상 편이를 생성하려면 저항과 커패시터가 필요하며, 반전 사양의 증폭기를 연결하고 증폭기와 RC 네트워크를 피드백 연결로 연결하면 증폭기의 출력이 진동에 의한 정현파 파형.
A의 빈 브리지 발진기 개의 RC 네트워크가 사용되는 증폭기에 걸쳐 및 발진기 회로를 생성한다.
그런데 왜 Wien 브리지 오실레이터를 선택해야 합니까?
다음과 같은 점 때문에 Wien 브리지 오실레이터는 사인파를 생성하는 데 현명한 선택입니다.
- 안정적입니다.
- 왜곡 또는 THD (Total Harmonic Distortion)가 제어 가능한 한계에 있습니다.
- 주파수를 매우 효과적으로 변경할 수 있습니다.
앞서 말했듯이 Wein Bridge 발진기에는 2 단계 RC 네트워크가 있습니다. 즉, 2 개의 비극성 커패시터와 고역 통과 및 저역 통과 필터 구성의 2 개의 저항으로 구성 됩니다. 하나의 저항과 하나의 커패시터가 직렬로 연결된 반면 하나의 커패시터와 하나의 저항이 병렬로 형성됩니다. 회로를 구성하면 회로도가 다음과 같이 보일 것입니다.
분명히 볼 수 있듯이 두 개의 커패시터가 있고 두 개의 저항이 사용됩니다. 2 차 단계의 주파수 의존성을 축적하는 대역 통과 필터의 산물 인 하이 패스와 로우 패스 필터 역할을하는 RC 단이 함께 연결되어 있습니다. R1 및 R2 저항은 동일하며 C1 및 C2 커패시턴스도 동일합니다.
Wein Bridge 오실레이터 출력 이득 및 위상 편이:
위 이미지 의 RC 네트워크 회로 내부에서 일어나는 일은 매우 흥미 롭습니다.
저주파가 적용되면 첫 번째 커패시터 (C1) 리액턴스가 충분히 높고 입력 신호를 차단하고 회로가 0 출력을 생성하도록 저항합니다. 병렬 상태로 연결됩니다. C2 리액턴스가 너무 낮아 신호를 우회하고 다시 0 개의 출력을 생성합니다.
그러나 C1 리액턴스가 높지 않고 C2 리액턴스가 낮지 않은 중간 주파수의 경우 C2 지점에 걸쳐 출력을 제공합니다. 이 주파수를 공진 주파수라고 합니다.
회로 내부를 자세히 살펴보면 공진 주파수가 달성되면 회로의 리액턴스와 회로의 저항이 동일하다는 것을 알 수 있습니다.
따라서 회로가 입력에 걸쳐 공진 주파수에 의해 제공되는 경우에 적용되는 두 가지 규칙이 있습니다.
A. 입력과 출력의 위상차는 0 도입니다.
B. 0도이므로 출력이 최대가됩니다. 하지만 얼마나? 그것은 밀접하게 또는 정확하게 1/3 번째 입력 신호의 크기.
회로의 출력을 보면 그 점을 이해할 수 있습니다.
출력은 표시된 이미지와 정확히 동일한 곡선입니다. 1Hz의 저주파에서 출력은 더 적거나 거의 0이고 입력의 주파수가 공진 주파수까지 증가하고 공진 주파수에 도달하면 출력은 최대 피크 지점에 있으며 주파수가 증가함에 따라 계속 감소합니다. 그것은 고주파에서 0 출력을 생성합니다. 따라서 특정 주파수 범위를 명확하게 통과하여 출력을 생성합니다. 이것이 이전에 주파수 의존 가변 대역 (Frequency Band) 통과 필터로 설명 된 이유입니다. 출력의 위상 변이를 면밀히 살펴보면 적절한 공진 주파수에서 출력 전체에 걸쳐 0도 위상 마진을 명확하게 볼 수 있습니다.
이 위상 출력 곡선 에서 위상은 공진 주파수에서 정확히 0도 이며 입력 주파수가 공진 주파수에 도달 할 때까지 증가하면 90도에서 0도에서 감소하고 그 후 위상은-의 끝점에서 계속 감소합니다. 90도. 두 경우 모두 두 가지 용어가 사용됩니다. 위상이 양수 이면 위상 전진 이라고하고 음의 경우 위상 지연 이라고 합니다.
이 시뮬레이션 비디오에서 필터 단계의 출력을 볼 수 있습니다.
이 비디오에서는 R1 R2 및 10nF 커패시터 모두에서 R로 사용되는 4.7k가 C1 및 C2 모두에 사용됩니다. 스테이지 전체에 사인파를 적용했으며 오실로스코프에서 노란색 채널은 회로 의 입력 을 표시 하고 파란색 선은 회로의 출력을 표시합니다. 자세히 살펴보면 출력 진폭은 입력 신호의 1/3이고 출력 위상은 앞에서 설명한 공진 주파수에서 0도 위상 편이와 거의 동일합니다.
공진 주파수 및 전압 출력:
R1 = R2 = R 또는 동일한 저항이 사용되고 커패시터 C1 = C2 = C를 선택하기 위해 동일한 커패시턴스 값이 사용되는 경우 공진 주파수는 다음과 같습니다.
Fhz = 1 / 2πRC
R은 저항기를 나타내고 C는 커패시터 또는 커패시턴스를, 공진 주파수 인 경우 Fhz를 나타냅니다.
RC 네트워크 의 Vout 을 계산하려면 다른 방식으로 회로를 봐야합니다.
이 RC 네트워크는 AC 신호 입력으로 작동 합니다. DC의 경우 회로 저항을 계산하는 것보다 AC의 경우 회로 저항을 계산하는 것은 약간 까다 롭습니다.
RC 네트워크는 적용된 AC 신호에서 저항 역할을하는 임피던스를 생성합니다. 전압 분배기에는 두 개의 저항이 있으며 이러한 RC 단계에서 두 개의 저항은 첫 번째 필터 (C1 R1) 임피던스와 두 번째 필터 (R2 C2) 임피던스입니다.
커패시터가 직렬 또는 병렬 구성으로 연결되어 있으므로 임피던스 공식은 다음과 같습니다.
Z는 임피던스, R은 저항, Xc는 커패시터의 용량 성 리액턴스를 나타냅니다.
동일한 공식을 사용하여 첫 번째 단계 임피던스를 계산할 수 있습니다.
의 경우 두 번째 단계, 화학식 병렬 등가 저항을 계산하는 단계와 동일하고,
Z는 임피던스, R은 저항, X는 커패시터입니다.
회로의 최종 임피던스는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
실제 예제를 계산하고 이러한 경우 출력을 볼 수 있습니다.
값을 계산하고 결과를 보면 출력 전압이 입력 전압의 1/3 이라는 것을 알 수 있습니다.
2 단계 RC 필터 출력을 비 반전 증폭기 입력 핀 또는 + Vin 핀에 연결하고 게인을 조정하여 손실을 복구하면 출력이 정현파를 생성합니다. 그것이 빈 브리지 발진이고 회로는 Wein 브리지 발진기 회로입니다.
Wein Bridge Oscillator의 작동 및 구성:
위 이미지에서 RC 필터는 비 반전 구성에있는 연산 증폭기를 통해 연결 됩니다. R1 및 R2는 고정 값 저항이고 C1 및 C2는 가변 트림 커패시터입니다. 이 두 커패시터의 값을 동시에 변경하면 낮은 범위에서 높은 범위로 적절한 발진을 얻을 수 있습니다. Wein 브리지 발진기를 사용하여 낮은 범위에서 높은 범위까지 다른 주파수에서 정현파를 생성하려는 경우 매우 유용합니다. 그리고 R3 및 R4는 연산 증폭기 피드백 게인에 사용됩니다. 출력 이득 또는 증폭은 이러한 두 값 조합에 크게 의존합니다. 두 개의 RC 단계가 출력 전압을 1/3로 떨어 뜨리므로이를 다시 복구하는 것이 중요합니다. 또한 최소 3 배 또는 3 배 이상 (4 배 선호) 게인을 얻는 것이 현명한 선택입니다.
1+ (R4 / R3) 관계를 사용 하여 이득 을 계산할 수 있습니다.
이미지를 다시 보면 출력에서 나오는 연산 증폭기의 피드백 경로가 RC 필터 입력 단계에 직접 연결되어 있음을 알 수 있습니다. 2 단 RC 필터는 공진 주파수 영역에서 0도 위상 편이 특성을 가지며 연산 증폭기 포지티브 피드백에 직접 연결되어 있으므로 xV +이고 네거티브 피드백에서 xV- 인 동일한 전압이 적용된다고 가정합니다. 동일한 0도 위상으로 연산 증폭기는 두 입력을 구별하고 네거티브 피드백 신호를 배제하며, RC 스테이지에 연결된 출력으로 인해 연산 증폭기가 진동하기 시작합니다.
더 높은 슬 루율, 더 높은 주파수 연산 증폭기를 사용하면 출력 주파수를 크게 최대화 할 수 있습니다.
이 세그먼트에는 고주파 연산 증폭기가 거의 없습니다.
또한 이전 RC 발진기 자습서에서 부하 효과에 대해 논의했듯이 기억해야합니다. 부하 효과를 줄이고 보장하려면 RC 필터보다 입력 임피던스가 높은 연산 증폭기를 선택해야합니다. 적절한 안정된 진동.
- LM318A
- LT1192
- MAX477
- LT1226
- OPA838
- 900 mHz High seed op-amp 인 THS3491!
- 10Ghz GBW 차동 연산 증폭기 인 LTC6409. 말할 것도없이,이 고주파 출력을 달성하기 위해서는 특별한 추가 회로와 뛰어난 RF 설계 전술이 필요합니다.
- LTC160
- OPA365
- TSH22 산업용 등급 연산 증폭기.
Wein Bridge Oscillator의 실제 예:
저항과 커패시터 값을 선택하여 실제 예제 값을 계산해 보겠습니다.
이 이미지에서 RC 발진기의 경우 R1 및 R2 모두에 4.7k 저항이 사용됩니다. 그리고 두 극을 가진 트리머 커패시터는 C1 및 C2 트리밍 용량에 대해 1-100nF를 포함 합니다. 1nF, 50nF 및 100nF의 진동 주파수를 계산해 보겠습니다. 또한 연산 증폭기의 이득을 R3은 100k로 선택하고 R4는 300k로 선택합니다.
주파수를 계산하는 것은
Fhz = 1 / 2πRC
C 값이 1nF이고 저항이 4.7k 인 경우 주파수는
Fhz = 33,849Hz 또는 33.85KHz
C 값이 50nF이고 저항이 4.7k 인 경우 주파수는
Fhz = 677Hz
C 값이 100nF이고 저항이 4.7k 인 경우 주파수는
Fhz = 339Hz
따라서 33.85Khz 인 1nF를 사용하여 얻을 수있는 가장 높은 주파수는 100nF를 사용하여 얻을 수있는 가장 낮은 주파수는 339Hz입니다.
연산 증폭기 의 이득 은 1+ (R4 / R3)입니다.
R4 = 300k
R3 = 100k
따라서 이득 = 1+ (300k + 100k) = 4x
연산 증폭기는 반전되지 않은 "포지티브"핀에서 입력의 4 배 이득을 생성합니다.
따라서이 방법을 사용하여 가변 주파수 대역폭 Wein Bridge Oscillator를 생성 할 수 있습니다.
신청:
Wein Bridge Oscillator 는 커패시터의 정확한 값을 찾는 것부터 전자 분야의 광범위한 응용 분야 에 사용됩니다. 0도 위상 안정 발진기 관련 회로를 생성하기 위해 낮은 노이즈 레벨로 인해 다양한 오디오 등급 레벨에 더 현명한 선택입니다. 지속적인 진동이 필요한 애플리케이션.