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

Question

¿Cómo es que la ganancia del bucle \$\beta A\$ de un oscilador de Wien con diodos Zener es igual a la ganancia de bucle de un oscilador de Wien sin diodos Zener?

Mi profesor utiliza la siguiente expresión para determinar la frecuencia del oscilador en estado estacionario:

¿Por qué no considera el brazo con diodos Zener?

Answer 1

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

Cuando un circuito con realimentación dependiente de la frecuencia se diseña como oscilador, la ganancia del bucle debe cumplir la condición de oscilación: GANANCIA DE BUCLE LG=1. Sin embargo, esto nunca puede cumplirse por diseño porque para LG=1,001 tenemos amplitudes que aumentan continuamente y para LG=0,999 tenemos amplitudes que decaen.

Por esta razón, SIEMPRE diseñamos el circuito para LG>1 (incluyendo todas las incertidumbres como tolerancias, etc.). Esto garantiza un inicio seguro de las oscilaciones. Pero como consecuencia de LG>1, las amplitudes se elevarán hasta que estén fuertemente limitadas (carriles de alimentación). Debido a que esto es indeseable debido a valores muy malos de THD (distorsiones) preferimos una "limitación suave" antes de que las amplitudes alcancen el carril de alimentación.

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

En tu ejemplo, la relación R3/R4 se seleccionará ligeramente mayor que "2" (nominalmente R3/R4=2, ganancia en lazo cerrado=3). Debido a los efectos del diodo Z, el valor de R3||Z-path se volverá menos resistivo para amplitudes crecientes y la ganancia del opamp se reducirá exactamente a "3" (a una cierta amplitud) y la ganancia del lazo será LG=1 para este valor de amplitud.

En tu ejemplo, los diodos Z estarán "abiertos" en valores de amplitud que dependen de la tensión Z. Entonces, la resistencia R5 aparecerá en paralelo con 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 más grande para R5 sería mejor (5...10kOhms). Pero la selección de un valor adecuado depende también de la relación de diseño real R3/R4.

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

EDITAR (Comentario): Por último, debo añadir que mi respuesta asume R1C1=R2C2. Este es el diseño clásico - de lo contrario la mencionada relación de resistencias R3/R4=2 (y la ganancia de bucle cerrado del amplificador óptico resultante de 3) ya no se aplica.

Answer 2

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

A medida que la amplitud de la salida se aproxima a (Vf + Vz), unos 3 voltios en este caso, los diodos comienzan a conducir, y la ganancia efectiva del bucle se reduce. Dado que el circuito sin el limitador mostraría una amplitud gradualmente creciente, esto tiene el efecto de estropear el aumento, y en algún momento 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 tal como se muestra no es realmente una muy buena elección de los valores de los componentes. Lo ideal, por supuesto, sería R3 de 2k, como indica la respuesta de LvW. Suponiendo resistencias del 1%, una elección mucho mejor sería alrededor de 2,1k para R3 y algo así como 10k para R5. Esto producirá una menor variación de ganancia con la amplitud, y por lo tanto una onda sinusoidal más limpia. También producirá un encendido algo más suave para el zener de polarización inversa, y esto a su vez proporcionará una menor distorsión.