Записки программиста

У операционных усилителей много применений. Раньше мы использовали их в схемах усилителей и фильтров (один, два). Существуют также схемы генераторов на основе ОУ. Сегодня мы познакомимся с одной такой схемой. Она называется генератор с мостом Вина (Wien bridge oscillator).

Схема следующая:

Модель для LTspice можно скачать здесь. Как же это работает?

Делитель напряжения R5-R6 используется для создания «виртуальной земли», шины с напряжением Vcc/2. Она нужна, потому что у нас однополярное питание, а ОУ нужно двухполярное.

U2 представляет собой обычный повторитель напряжения, то есть, буфер для нашего генератора. Буфер имеет высокий входной импеданс и низких выходной. Он изолирует генератор от реальной нагрузки, и обеспечивает его стабильность. Принцип тот же, что в генераторах на транзисторах (см один, два и далее по ссылкам).

R1, C1, R2 и C2 работают, как полосно-пропускающий фильтр:

Вот его АЧХ и ФЧХ:

При условии R1 = R2 = R и C1 = C2 = C, пик АЧХ и фазовый сдвиг 0° приходятся на частоту 1/(2*pi*R*C). Это будет частота генератора, в нашем случае — 1 кГц. Аттенюация на данной частоте составляет 9.54 dB. То есть, по напряжению проходит pow(10,-9.54/20) или 1/3 сигнала.

Временно забудем про диоды D1 и D2. Глядя на U1, R3 и VR4 мы видим обычный неинвертирующий усилитель. Его усиление составляет 1+VR4/R3, или около 3. Таким образом, на частоте 1 кГц у нас выполняется критерий Баркгаузена — фазовый сдвиг 0° и единичное усиление. Все, что нужно для работы генератора.

Но есть нюанс. На самом деле, для старта генератора усиление должно быть чуть больше единицы. Иначе требуемая частота никогда бы не усилилась из фонового шума. Это означает, что амплитуда выходного сигнала будет бесконечно расти, пока мы не упремся в возможности используемого ОУ при заданном Vcc. Как результат, на выходе мы получим искаженный сигнал. Вот чтобы этого не случилось, в схеме стоят D1 и D2.

Диод почти не проводит ток, пока падение напряжения на нем меньше 0.7 В. При превышении этого значения сопротивление диода резко падает. Низкое сопротивление параллельно с VR4 уменьшает коэффициент усиления. Таким образом, амплитуда выходного сигнала будет расти до какого-то предела, и сигнал не будет искажен. Амплитуду можно подстроить, регулируя VR4.

Схема в моем исполнении:

… и ее выходной сигнал:

Здесь цена деления по вертикали — 200 мВ, а по горизонтали — 0.5 мс. Период составил ~1 мс, значит частота соответствует ожидаемой.

Выбор ОУ в данном генераторе не критичен. Схеме можно найти много применений. Например, она может быть использована в телеграфном трансивере или служить основой для двухтонального генератора.

Дополнение: Альтернативная схема генератора на ОУ с синусом на выходе показана в видео Circuit Fun: Twin-Tee Oscillator, снятом Alan Wolke, W2AEW. Также вас может заинтересовать пост Релаксационный генератор на операционном усилителе.

Метки: Аудио, Электроника.