Oscilator de semnal sinusoidal cu retea Wien si AO

Oscilator de semnal sinusoidal cu retea Wien si AO

Oscilatorul cu retea Wien este unul din cele mai simple si mai cunoscute oscilatoare si este foarte des folosit in circuite cu aplicatii audio. Figura de mai jos arata cel mai simplu model de oscillator RC cu retea Wien:

In pofida faptului ca are foarte putine componente, el are o stabilitate foarte buna in frecventa iar calitatea semnalului de la iesire este de asemenea considerabila. Un neajuns al acestui circuit este ca in lipsa unei proiectari riguroase semnalul poate fi distorsionat la varfuri din cauza suprasaturarii tranzistorilor de iesire ai AO.

Pentru o mai buna proiectare a datelor de oscilatie se va face functia de transfer a retelei Wien:

Inlocuind pe s=jω₀, unde ω₀ este frecventa de oscilatie, ₁=1/R₁C_{2, 2}=1/R₂C₁, rezulta ecuatia:

Deoarece conditia Barkhausen de oscilatie impune ca defazajul introdus de reteaua de reactie sa fie 0 sau π, deducem ca partea comlpexa a acestei ecuatii trebuie sa fie =0. De aici rezulta ca frecventa de oscilatie va fi (considerand R₁=R₂=R si C₁=C₂=C din cauza ca C₁ va introduce un zero iar C₂ un pol):

, determinate doar de componentele retelei de reactie.

Egaland partea complexa cu 0, iar pe R₁=R₂ si C₁=C₂ , rezulata ca functia de transfer a retelei va fi:

.

Acum putem deduce din conditia de oscilatie Barkhausen amplificarea AO:

Aβ= => A=3 .

Tinand cont ca amplificarea amplificatorului operational (considerat ideal) A=1+R₃/R₄ iar ca A=3, va rezulta inca o informatie utila in proiectare si anume ca R₃ trebuie sa fie de doua ori mai mare decat R₄.

Circuitul oscilator este alimentat cu o sursa simpla de alimentare, deci va trebui sa:

aplicam in iesire o tensiune de referinta V_ref ;

sa folosim o sursa dubla

pentru a obtine cursa completa a semnalului de iesire, altfel, acesta va fi limitat in alternanta sa negativa. Vom alege asadar varianta a doua, adica o sursa dubla de alimentare.

Amplificatorul operational folosit in simulari va fi unul de tipul UA741. Acesta este un amplificator pentru aplicatii generale cu capabilitatea de offset-null. El are o arie larga de tensiuni de mod comun si de mod diferential fiind de asemenea protejat la scurtcircuite iar compensatoarele interne de frecventa fac sa nu mai fie necesare circuite exerne in acest scop.

Scema sa interna arata in felul urmator:

In continuare vor vi enumerate cateva date de catalog (valori maxime admise la temp normale):

- tensiunea de alimentare ±18V

- tensiunea diferentiala de intrare ±15V

- tensiunea intre offset-null si masa ±15V

- durata supunerii la scurtcircuit nelimitat

- temperaturi 0sC - 70sC

Alte date(valori typical):

- amplificare (R_L>2 ) 200

- rezistenta de intrare 2 MΩ

- rezistenta de iesire 75 Ω

- capacitate de intrare 1 pF

- CMMR 90 dB

- k_SVS (ΔV_IO/ V_CC) 30 µV/V

- putere disipata 50 mW

Se mai pot observa de asemenea cateva alte caracteristici cum ar fi:

Amplitudinea maxima obtinuta in functie de R_L:

Banda amplificatorului:

Amplificarea in bucla deschisa functie de tensiunea de alimentare:

Considerand R=10k, C=10n, R₃=20k, R₄=10k, dupa formula f=1/2πRC, circuitul ar trebui sa oscileze la frecventa de 1 KHz, freventa care se afla in banda AO:

Comportarea circuitului se observa insa ca nu are o comportare corecta. El oscileaza la frecventa de 1,56KHz dand o eroare acceptabil de mica, insa amplitudinea nu este cea asteptata. Oscilatiile se incadreaza intre aproximativ -400 si +400 de mV, fiind mult prea mica.

Acest fenomen poate fi insa explicat. Pentru ca oscilatiile sa se amorseze si ca oscilatorul sa dea amplitudine maxima, este necesar ca amplificarea AO sa fie A_o=1 *A. Stiind ca A=3, rezulta ca A_o=3,3.

A_o=1+R₄/R₃ => 1+R₄/R₃=3 de unde deducem valoarea unui R₄ necesar ca oscilatiile sa se amorseze: R₄=23K.

Inlocuind in programul simularii pe R₄ se obtine urmatoarea oscilatie la iesire:

Frecventa este acum de 1 KHz, insa amplitudinea oscilatiilor este cea corecta, si anume intre limitele sursei -10V +10V. De asemenea se poate observa foarte bine amorsarea circuitului, el ajungand la oscilatiile dorite intr-un timp de aproximativ 2 ms.

Se observa ca oscilatiile sunt distorsionate din pricina faptului ca acum amplificarea este mai mare decat 3 si tranzistorii etajului de iesire ai amplificatorului intra in saturatie. Aceasta problema poate fi rezolvata insa facand o limitare cu diode. Se aplica o rezistenta in paralel pe R₄ decuplata de doua diode. Este necesar ca aceasta rezistenta in paralel cu R₄ sa dea o valoare de amplificare de aproximativ 2 . Deci R₄||R_Lim sa dea 18K de unde rezulta ca R_Lim trebuie sa fie aprox 80 K.

Diodele au tensiunea de deschidere la 0,6V. Sistemul va functiona astfel: pe alternanta pozitiva, cand tens de iesire este mai mica decat 0,6V amplificarea AO va fi 3 deoarece diodele sunt inchise. Cand se atinge pragul de 0,6V dioda D₂ se va deschide punand astfel in paralel pe R_Lim iar amplificarea va deveni 2 . In aceasta situatie, oscilatia va tinde sa se stinga, insa nu instantaneu, ci va face o urcare de inca aprox 0,5V apoi va scadea. La trecerea prin 0,6V insa, dioda D₂ se va inchide iar amplificarea va deveni din nou 3,3 circuitul reamorsandu-se. Acelasi lucru se va intampla si in alternanta negativa cand se va deschide D₁.

La simulare, semnalul de iesire al oscilatorului va arata astfel:

Semnalul va fi de nivel mai mic, insa va fi nedistorsionat.

Oscilatoarele RC cu retea Wien sunt circuite relativ simple care ofera la iesire un semnal de o calitate foarte buna. De asemenea, un alt avantaj al retelei Wien este calitatea de a creea oscilatoare cu frecventa reglabila, calitate care alte multe retele nu o au. Acest lucru se face variind componentele retelei, fie rezistentele, fie condensatorii. Aceasta variatie trebuie sa se faca concomitent, cu potentiometre sau varistori dubli pentru a indeplini conditia R₁=R₂=R si C₁=C₂=C. Este de preferat folosirea potentiometrelor deoarece sunt mai comode si dau o precizie mai mare in reglaj.