Oscillatore a ponte di Wien

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Osc Wien.png

Il ponte di Wien è un filtro notch concepito da Max Wien è capace di diventare un buon oscillatore aggiungendo una reazione positiva

Tra i generatori di forme d'onda, l'oscillatore a ponte di Wien è uno dei più conosciuti.

Caratteristiche specifiche[modifica | modifica wikitesto]

La sua principale caratteristica è l'elevata stabilità della frequenza di oscillazione che, a patto di avere un guadagno pari a 3, cioè di avere , è data da:

La presenza delle oscillazioni può essere ricavata imponendo la condizione di Barkhausen relativa al prodotto . In questo caso infatti A è l'amplificazione dell'operazionale in configurazione non invertente e vale . Il termine (il coefficiente di reazione) può invece essere agevolmente ricavato dalla rete di reazione positiva e vale: .

In definitiva la condizione di Barkhausen si traduce in una doppia condizione che lega il numero complesso ad avere fase nulla e modulo unitario.

La condizione sulla fase determina la frequenza di oscillazione mentre la condizione che il modulo deve avere valore unitario, alla frequenza di oscillazione, impone l'amplificazione pari a 3 per cui

L'innesco è possibile se inizialmente . Per garantire questa condizione generalmente viene sostituita da un termistore NTC (Negative Temperature Coefficient) incapsulato in vetro evacuato in grado di dare ottime distorsioni a frequenze superiori ai 500 Hz ma purtroppo ormai introvabili oppure da un termistore PTC (Positive Temperature Coefficient).

Applicazione pratica[modifica | modifica wikitesto]

Oscillatore a ponte di Wien Hewlett-Packard HP200A aperto in vista dall'alto.

Una soluzione classica prevede l'utilizzo di una semplice lampadina al posto di . Il comportamento del filamento infatti prevede che la resistenza salga quando quest'ultimo si riscalda. Da questo punto di vista, l'uso di una lampadina è del tutto equivalente ad un termistore PTC. L'inerzia termica della lampadina permette di stabilizzare efficacemente l'ampiezza della sinusoide in uscita, mantenendo la distorsione a valori molto bassi.
Il primo utilizzo di questa configurazione è accreditato a Meacham nel 1937 ed usato nel 1939 da William R. Hewlett, fondatore con David Packard della società Hewlett Packard.
Il primo prodotto di questa azienda è stato proprio un oscillatore audio a ponte di Wien stabilizzato con una lampadina e commercializzato sotto il nome di HP 200A.

Lo schema in alto mostra il circuito basato su un amplificatore operazionale in grado di evitare il flusso di corrente catodica di riposo nell'elemento termosensibile, ottenendo una migliore stabilizzazione dell'ampiezza del segnale.

Un sistema più affidabile di stabilizzazione vede un FET al posto della resistenza R1 il cui canale pilotato a basso livello si comporta in 1^ approssimazione come una resistenza. Un secondo operazionale stabilizza con la precisione di un riferimento Zener il livello di uscita

Oscillatori a ponte di Wien a distorsione bassissima[modifica | modifica wikitesto]

Nel caso in cui si debbano misurare distrorsioni realmente basse il nostro ponte ad operazionale singolo e FET comincia a mostrare dei problemi

Il FET ha un comportamento quadratico dando come minimo lo 0.15% di seconda armonica e le reti di compensazione tarate a mano permettono distorsioni fino a 18 ppm ad una singola frequenza (le capacità parassite del FET si fanno sentire nella modulazione del canale) e per migliorarne il comportamento si può usare un sistema a LED-fotoresistenza capace di ridurre l'errore fino a 15 ppm con sistemi di taratura molto più semplici.

La reiezione del modo comune degli amplificatori (sia operazionali sia a transistor discreti) non solo è finita, ma è soprattutto fortemente non lineare e, questo limita l'errore a livelli di 15 ÷ 50 ppm usando operazionali di qualità estrema, e quindi costosi, vedendola salire ad oltre 100 ppm con i più diffusi TL 071/72/81/82.

Un sistema per evitare questo problema è usare gli amplificatori in modalità negante, cioè porre l'ingresso vero a massa e quello invertente alla giunzione delle 2 reti RC dove il pilotaggio e la regolazione dell'ampiezza saranno delegate ad un altro operazionale invertente con ampiezza d'uscita variabile per mezzo di un sistema a LDR come spiegato da JL Linsley-Hood in "Wien-Bridge Oscillator with low harmonic distortion" su Wireless World del Maggio 1982 [1], così potrà fornire distorsioni dell'ordine delle 3 parti per milione con integrati di precisione e 10 ppm con gli economici TL 082.

Un interessante documento redatto da Jim Williams della Linear è l'Application Note 43 [2] in cui l'oscillatore di Wien visto in molte delle sue varie versioni viene spiegato a partire da pag 29.

Un altro generatore di Williams con 3 ppm di distorsione è quello dell'AN132 [3] sempre della Linear

L'uso di un moltiplicatore a cella di Gilbert non dà risultati migliori del sistema ad LDR.

Filtro Passa Alto di Boctor[modifica | modifica wikitesto]

Un ponte di Wien degenere può essere usato come filtro passa alto [4] (reference IEEED Trans. Circuits and systems vol CAS22 pag 875÷881)

Il filtro disegnato normalmente è a pag 88 del PDF in fig 8.84 [5]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]