Oscilador de Wien - estabilización de amplitud con diodos Zener (ganancia de bucle)

" ¿Por qué no considera el brazo con diodos Zener? "

Cuando un circuito con realimentación dependiente de la frecuencia está diseñado como un oscilador, la ganancia del bucle debe cumplir la condición de oscilación: LOOP GAIN LG = 1. Sin embargo, esto no puede cumplirse nunca con el diseño porque para LG = 1.001 tenemos amplitudes cada vez mayores y para LG = 0.999 tenemos amplitudes en descomposición.

Por este motivo, SIEMPRE diseñamos el circuito para LG > 1 (incluidas todas las incertidumbres, como tolerancias, etc.). Esto asegura un inicio seguro de las oscilaciones. Pero como consecuencia de LG > 1, las amplitudes aumentarán hasta que estén limitadas (los rieles de alimentación). Debido a que esto no es necesario debido a valores THD (distorsiones) muy malos, preferimos una "limitación suave" antes de que las amplitudes alcancen la línea de potencia.

Para este propósito, necesitamos una ruta sensible a la amplitud no lineal (diodos, diodos Z, FET, lámpara de tungsteno, ...). Sin embargo, es una práctica común no incluir este camino no lineal en la expresión de ganancia de bucle porque la frecuencia de oscilación no se ve afectada, solo las amplitudes.

En su ejemplo, la relación R3 / R4 se seleccionará ligeramente más grande que "2" (nominalmente R3 / R4 = 2, ganancia de bucle cerrado = 3). Debido a los efectos del diodo Z, el valor de R3 || Z-path será menos resistente para las amplitudes crecientes y la ganancia operativa se reducirá exactamente a "3" (a una cierta amplitud) y la ganancia del bucle será LG = 1 para este valor de amplitud.

En su ejemplo, los diodos Z estarán "abiertos" a valores de amplitud que dependen de la tensión Z. Entonces, la resistencia R5 aparecerá en paralelo a R3. Sin embargo, R5 tiene un valor bastante bajo que no permite una transición relativamente "suave" de LG > 1 a LG = 1. Por lo tanto, la calidad de la señal no será muy buena. En mi opinión, un valor mayor para R5 sería mejor (5 ... 10kOhms). Pero la selección de un valor adecuado también depende de la relación de diseño real R3 / R4.

Regla general: la no linealidad neta (R3 junto con la ruta Z) debe ser lo más pequeña posible (para una buena THD) pero lo suficientemente grande como para permitir (a) un inicio seguro de las oscilaciones y (b) "suave "Control de amplitud antes de que ocurra la limitación dura.

EDIT (Comentario): Finalmente, debo agregar que mi respuesta asume que R1C1 = R2C2. Este es el diseño clásico; de lo contrario, la relación de resistencia mencionada R3 / R4 = 2 (y la ganancia de bucle cerrado opamp resultante de 3) ya no se aplica.

Durante la mayor parte del ciclo, un zener tiene polarización inversa y la rama R5 / D1 / D2 es efectivamente un circuito abierto. Como tal, no puede tener efecto en la frecuencia del bucle.

A medida que se acerca la amplitud de la salida (Vf + Vz), aproximadamente 3 voltios en este caso, los diodos comienzan a conducir y la ganancia de bucle efectiva se reduce. Dado que el circuito sin el limitador mostraría una amplitud cada vez mayor, esto tiene el efecto de estropear el aumento, y en algún punto el sistema se asentará en una oscilación estable. Por supuesto, como la ganancia varía con la amplitud de la señal, la distorsión no será cero. De hecho, el circuito como se muestra no es realmente una muy buena elección de valores de componentes. Idealmente, por supuesto, R3 sería 2k, como afirma la respuesta de LvW. Suponiendo un 1% de resistencias, una opción mucho mejor sería aproximadamente 2.1k para R3 y algo así como 10k para R5. Esto producirá una variación de ganancia más pequeña con la amplitud, y por lo tanto una onda sinusoidal más limpia. También producirá un encendido algo más suave para el zener con polarización inversa, y esto a su vez proporcionará una menor distorsión.