Ventajas como una excelente estabilidad de frecuencia, una distorsión muy baja y una fácil sintonización hacen del oscilador de puente de Viena el circuito de generación de señales más común en el rango de frecuencia de audio. Este tipo de oscilador también puede considerarse un oscilador RC ya que utiliza una red de retroalimentación RC.
La principal diferencia entre un oscilador típico y un oscilador de puente de Viena es que en el oscilador se introduce un cambio de fase de 180 grados en la etapa de amplificación, la red de retroalimentación introduce un cambio de fase adicional de 180 grados y todo el bucle tiene un cambio de fase de 360 grados. o cambio de fase cero es lo que obtienes. Cumple con los estándares de Barkhausen.
Sin embargo, en el caso de un oscilador de puente de Viena, el amplificador no inversor utilizado en la etapa de amplificación no provoca ningún cambio de fase. Por lo tanto, no hay necesidad de cambio de fase debido a la red de retroalimentación necesaria para cumplir el criterio de Barkhausen. Expliquemos brevemente el oscilador del puente de Viena.
Tabla de contenido
oscilador del puente de viena
Un oscilador de puente de Viena genera una onda sinusoidal que utiliza una red RC como parte determinante de la frecuencia del circuito. En la siguiente figura se muestra el circuito básico de un oscilador de puente de Viena con una etapa de amplificación.
La salida del amplificador se aplica entre los terminales 1 y 3, y la entrada a la etapa del amplificador se suministra desde los terminales 2 y 4, por lo que la salida del amplificador está al voltaje de entrada del puente y la salida del puente es en el voltaje de entrada del amplificador. .
Cuando el puente está balanceado, el voltaje de entrada al amplificador es cero, por lo que para producir una oscilación sostenida, la entrada al amplificador no debe desaparecer. Por tanto, ajustar los valores adecuados de las resistencias desequilibrará el puente.
Como se mencionó anteriormente, la red RC es responsable de determinar la frecuencia del oscilador. Esta red RC consta de dos brazos sensores de frecuencia: serie R1C1 y paralelo R2, C2. Esta red también se denomina circuito de adelanto-retraso.
El voltaje de salida a través del capacitor está retrasado con respecto al voltaje de entrada en un ángulo entre 0 y –90 grados en el circuito de retardo. En un circuito principal, el voltaje de salida a través de la resistencia adelanta al voltaje de entrada en un ángulo entre 0 y 90 grados.
A frecuencias muy bajas, el condensador en serie se comporta como un circuito abierto, por lo que el voltaje de salida es cero. Además, a frecuencias muy altas no hay salida ya que el condensador paralelo actúa como un cortocircuito con el voltaje de entrada. Por tanto, entre estas dos condiciones extremas, la tensión de salida alcanza su valor máximo.
La frecuencia de resonancia es la frecuencia a la que el voltaje de salida es máximo. A esta frecuencia, la fracción de realimentación K alcanza un valor máximo de 1/3.
La realimentación es máxima cuando Xc = R, por lo que la frecuencia de resonancia viene dada por:
f = 1/2πRC
La figura anterior muestra el voltaje de salida a la frecuencia resonante. A la frecuencia resonante, el cambio de fase en el circuito es cero y la amortiguación V1/V0 es 1/3. Por tanto, la ganancia del amplificador debe ser superior a 3 para mantener la oscilación.
Un oscilador de puente de Viena puede proporcionar diferentes rangos de frecuencia instalando dos condensadores en el eje y cambiando sus valores simultáneamente.
Oscilador del puente de Viena usando amplificador operacional
El siguiente diagrama muestra un tipo ampliamente utilizado de oscilador de puente de Viena. El amplificador operacional se utiliza en una configuración no inversora y se retroalimenta desde una red divisora de voltaje. Las resistencias R1 y Rf forman parte del camino de realimentación que determina o facilita el ajuste de la ganancia del amplificador.
La salida del amplificador operacional se conecta como entrada del puente en los puntos a y c, y la salida del puente se conecta a la entrada del amplificador operacional en los puntos b y d.
Una parte de la salida del amplificador se retroalimenta a través de una red divisora de voltaje (una combinación en serie de resistencias y condensadores) al terminal positivo o no inversor del amplificador.
La segunda parte del amplificador también se realimenta al terminal inversor o negativo del amplificador a través de una impedancia de magnitud 2R.
Si los elementos de la red de retroalimentación se eligen correctamente, el desplazamiento de fase de la señal de entrada al amplificador será cero a una frecuencia determinada. Dado que el amplificador no es inversor e introduce un desplazamiento de fase cero y un desplazamiento de fase cero de la red de retroalimentación, la suma de los desplazamientos de fase a través del bucle es cero, por lo que es la condición necesaria para la oscilación.
Por tanto, el oscilador del puente de Viena actúa como un generador de onda sinusoidal cuya frecuencia de oscilación está determinada por las componentes R y C.
La ganancia de un amplificador operacional se expresa como:
A = 1 + (Rf/R1)
Como se explicó anteriormente, un amplificador no inversor debe tener una ganancia de al menos 3 para cumplir el criterio de Barkhausen.
Por tanto, 1 + (Rf/R1) ≥ 3
→ (Rf/R1) ≧ 2
Por lo tanto, la relación de resistencias Rf y R1 debe ser mayor o igual a 2. La frecuencia de oscilación viene dada por la siguiente fórmula:
f = 1/2πRC
Ejemplo de problema del oscilador del puente de Viena
Determine el valor RC para un circuito oscilador de puente de Viena que opera a una frecuencia de 10 kHz si R = 100 K ohmios y R1 = 1 K ohmios.
Si f = 10 kHz, R = 100 K ohmios, R1 = 1 K ohmios.
La frecuencia de oscilación del oscilador del puente de Viena viene dada por:
f = 1 / (2πRC)
C = 1 /(2π × 100 × 103 × 10 × 103)
= 0,159 nF
Para oscilaciones sostenidas, la ganancia debe ser mayor que 3, es decir, A ≥ 3
Entonces 1 + (Rf/R1) ≥ 3
(Rf/R1) ≧ 2
Rf ≧ 1K ohmios
Por tanto, los valores de R y C son 0,159 nF y 1K ohm, respectivamente.
Oscilador de puente de Viena transistorizado
La siguiente figura muestra un oscilador transistorizado de Puente de Viena que utiliza un amplificador de transistor de emisor común de dos etapas. Cada etapa del amplificador introduce un cambio de fase de 180 grados, por lo que se introduce un total de 360 grados de cambio de fase, que no es más que una condición de cambio de fase cero.
El puente de retroalimentación consta de un elemento en serie RC, un elemento en paralelo RC y resistencias R3 y R4. La entrada al circuito puente se aplica desde el colector del transistor T2 a través de un condensador de acoplamiento.
Cuando se aplica energía CC al circuito, el movimiento de los portadores de carga a través del transistor y otros componentes del circuito crea una señal de ruido en la base del transistor T1. Este voltaje se amplifica con una ganancia de A para producir un voltaje de salida que está desfasado 180 grados con el voltaje de entrada.
Este voltaje de salida se aplica como entrada al segundo transistor en el terminal base de T2. Este voltaje se multiplica por la ganancia de T2.
La salida amplificada del transistor T2 está desfasada 180 grados con la salida de T1. Esta salida se realimenta al transistor T1 a través del condensador de acoplamiento C. Por tanto, cuando se cumple la condición de Barkhausen, esta retroalimentación positiva produce oscilaciones en un amplio rango de frecuencias.
Normalmente, el puente de Viena de la red de retroalimentación incorpora oscilación a una única frecuencia deseada.
El puente está equilibrado a la frecuencia en la que el cambio de fase total es cero.
La salida del transistor de dos etapas sirve como entrada a una red de retroalimentación aplicada entre la base y tierra.
Tensión de retroalimentación, Vf = (Vo × R4) / (R3 + R4)
Control automático de ganancia del puente de Viena
Para lograr estabilidad en el oscilador de retroalimentación, la ganancia debe ajustarse automáticamente. Este es un tipo de control automático de ganancia (AGC). Esto se puede lograr simplemente colocando un diodo Zener en paralelo con la resistencia R3 en la red de retroalimentación. Cuando la señal de salida alcanza el voltaje de ruptura Zener, el diodo Zener conduce y la resistencia R3 sufre un cortocircuito.
Esto reduce la ganancia del amplificador a 3 y produce una oscilación sostenida que da como resultado una ganancia total del bucle de 1. Aunque este método de control automático de ganancia es simple, se ve afectado por la no linealidad del diodo Zener, que distorsiona la onda sinusoidal.
Otra forma de controlar la ganancia es utilizar un JFET como resistencia controlada por voltaje en la ruta de retroalimentación negativa. Este método de control de ganancia proporciona una forma de onda sinusoidal más estable que el método del diodo Zener. Los JFET operan en la región óhmica donde Vos es pequeño o cero.
Por lo tanto, a medida que aumenta el voltaje de la compuerta, también aumenta la resistencia de la fuente de drenaje. Por lo tanto, cuando el JFET se coloca en un circuito de retroalimentación negativa, esta resistencia controlada por voltaje logra el control automático de ganancia.
La figura anterior muestra el control automático de ganancia de un oscilador de puente de Viena estabilizado con JFET. En este circuito, la ganancia del amplificador está controlada por los componentes Rf, R3 y Q1. La resistencia de la fuente de drenaje cambia según el voltaje de la compuerta. Esta resistencia es mínima cuando la puerta está a cero voltios. En este caso, la ganancia del bucle es mayor que 1.
Cuando el voltaje de salida aumenta rápidamente, la señal de salida negativa polariza directamente el diodo y carga el capacitor a un voltaje negativo. Este voltaje de carga aumenta la resistencia del JFET entre el drenaje y la fuente, reduciendo aún más la ganancia del amplificador.
Al elegir valores apropiados para los componentes de retroalimentación, la ganancia del bucle se puede estabilizar al nivel deseado.
ventaja
- Debido al uso de un amplificador de dos etapas, la ganancia general de este oscilador es alta.
- La frecuencia de oscilación se puede cambiar cambiando los valores de C1 y C2 o usando una resistencia variable.
- Genera una onda sinusoidal muy agradable con baja distorsión.
- Buena estabilidad de frecuencia
- Como no hay inductor, no hay interferencias de campos magnéticos externos.
Contras
- Un oscilador de puente de Viena tipo amplificador de dos etapas requiere más componentes.
- No se pueden generar frecuencias muy altas.