Generatory - generatory sinusoidalne RC

W generatorach sinusoidalnych RC, pracujących w układzie wzmacniacza z dodatnim sprzężeniem zwrotnym, jako układy ustalające częstotliwość generowanego przebiegu, czyli zapewniające spełnienie warunku fazy tylko dla wybranej częstotliwości, są stosowane przesuwniki fazy lub filtry pasmowe RC.

Generator o powyższym schemacie blokowym składa się ze wzmacniacza odwracającego fazę oraz przesuwnika fazowego RC, którego funkcję może pełnić drabinkowy filtr RC górno- lub dolnoprzepustowy, odwracający fazę o dalsze 180° lub filtr pasmowo-zaporowy typu "podwójne T".

W układzie z rysunku poniżej należy natomiast zastosować układ RC nie przesuwający fazy tylko dla jednej określonej częstotliwości.

Właściwości takie ma np. filtr pasmowoprzepustowy (filtr Wiena), stanowiący dwie gałęzie rezystancyjno-pojemnościowe układ zwanego mostkiem Wiena. Generatory z obwodami RC są stosowane w zakresie częstotliwości od części herca do kilkuset kiloherców.

Generatory sinusoidalne RC z mostkiem Wiena

Gałęzie rezystancyjno-pojemnościowe (R₁, C₁ i R₂, C₂) - z poniższego schematu - stanowią układ filtru pasmowoprzepustowego, nazywanego filtrem Wiena

Jeżeli R₁ = R₂ = R oraz C₁ = C₂ = C, to przy częstotliwości f₀ = 1/(2*pi*RC) nie występuje przesunięcie fazy miedzy sygnałem wyjściowym u₂ a wejściowym u₁. Dla tej częstotliwości (nazywanej guasi-rezonansową) tłumienie sygnału wejściowego przez układ filtru z rysunku b wynosi: U₂/U₁ = 1/3. Dzielnik rezystancyjny R₃ i R₄ mostka Wiena jest więc tak dobierany, aby przy częstotliwości f₀ jego napięcie wyjściowe U₂ było równe zeru, czyli R₃ = 2R₄. Układ mostka Wiena jest więc filtrem pasmowozaporowym.

Charakterystyki amplitudowa i fazowa układu z rysunku b (pokazane na poniższych wykresach) przypominają swoim kształtem odpowiednie charakterystyki szeregowego obwodu rezonansowego LC o bardzo małej dobroci Q.

Dobroć równoważna Q_r = f₀ / dfR wynosi bowiem zaledwie 1/3. Jednak w układzie zmodyfikowanego mostka Wiena (gdy R₃ = (2 + e) R₄, przy np. e = 0,01) dobroć jest znacznie większa i nachylenie charakterystyki fazowej w pobliżu częstotliwości f₀ jest bardzo duże (linia przerywana na powyższych charakterystykach). Układ filtru Wiena włączony w pętlę sprzężenia zwrotnego wzmacniacza nieodwracającego może więc pełnić funkcję obwodu ustalającego częstotliwość, przy której jest spełniony warunek fazy (dodatnie sprzężenie zwrotne). Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza musi być dla tej częstotliwości większe od 3 V/V, aby było możliwe całkowite skompensowanie tłumienia pętli sprzężenia zwrotnego, a więc jednoczesne spełnienie warunku amplitudy. Stabilne wzmocnienie o takiej wartości można uzyskać włączając odpowiednio elementy R₃ i R₄ mostka Wiena w obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza. Przez dobór elementów mostka Wiena można uzyskać spełnienie warunków generacji.

Generatory z mostkiem Wiena charakteryzują się dobrą stabilnością częstotliwości i amplitudy oraz małymi zniekształceniami nieliniowymi generowanego sygnału sinusoidalnego. Mogą być stosowane w zakresie częstotliwości od pojedynczych herców do kilkuset kiloherców, zależnie od charakterystyki amplitudowej zastosowanego wzmacniacza. Przestrajanie generatora w szerokim zakresie częstotliwości może być realizowane płynnie za pomocą podwojonego kondensatora zmiennego (C₁, C₂) i skokowo przez dołączanie rezystorów (R₁, R₂) mostka.

Układ generatora z mostkiem Wiena przedstawiono na poniższym rysunku

Mostek Wiena jest włączony w obwód sprzężenia zwrotnego wzmacniacza dwustopniowego w konfiguracji WE, a więc przesuwającego fazę o 360°. Elementy R₁, C₁, R₂ i C₂ mostka zapewniają dodatnie sprzężenie zwrotne dla częstotliwości quasi-rezonansowej f₀, natomiast elementy R₃ i R₄ mostka, dołączone do emitera tranzystora T₁, stanowią obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego ustalającego wzmocnienie wzmacniacza (A_u = 1 + R₃/R₄) oraz stabilizującego częstotliwość i amplitudę generowanego przebiegu. Aby jednak generacja była możliwa, czyli możliwy był do spełnienia warunek amplitudy, sygnał dodatniego sprzężenia zwrotnego dla częstotliwości f₀ musi być odpowiednio większy od sygnału sprzężenia ujemnego. Relacja ta jest spełniona, gdy mostek nie jest zrównoważony, a więc wartość rezystancji R₃ jest nieco większa od podwójnej wartości rezystancji R₄ (czyli R₃ > 2R₄).

Aby uzyskać lepszą stabilność temperaturową generatora, zazwyczaj zamiast rezystora R₃ jest stosowany termistor. Przykład generatora z mostkiem Wiena włączonym w obwód sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego przedstawiono na rysunku poniżej.

Elementy R₁, C₁, R₂ i C₂ stanowią obwód sprzężenia zwrotnego ustalający warunek fazy dla częstotliwości f₀. Warunek amplitudy jest natomiast dobierany stosunkiem rezystorów R₃ i R₄ włączonych w obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza i ustalających jego wzmocnienie.