ウィーンブリッジ発振器は、誰もが作るべき古典的な回路です。著しく歪みの少ない正弦波形を提供するエレガントな回路です。この回路は、フィルタリング、フィードバック、自動利得制御について貴重な教訓を与えてくれます。驚くべきことに、この回路の心臓部は、回路のゲインを安定させる白熱電球です。
図1でオペアンプ LF412 の左に白熱ランプ 7374 が見えます。ランプの抵抗が自己発熱温度によって変化するため、単純な白熱ランプを使用することが望ましいのです。電球が冷えているときは温度が低く、電球が温まるにつれて温度は高くなります。この特性は図2に反映されています。ここで、コールド時（1V DC）の抵抗は約125Ωです。ランプ電圧が定格の28V DCに達すると、フィラメント抵抗は約700Ωに増加します。これは正の温度係数を持つ非線形の抵抗変化です。
図1： 7374型ランプとLF412オペアンプを搭載した試作ウィーンブリッジ発振器の写真
技術的なヒント： ウィーンブリッジ発振器の紹介は、Hewlett-PackardのHP 200Aオーディオ発振器を抜きにしては語れないでしょう。この真空管回路は、アンプのゲインを安定させるために同様の電球を備えていました。 発振器は、出力周波数を調整するために大きな空気可変コンデンサを使用していました。この古典的な試験機の詳細については、こちらをご覧ください。
図2： 白熱ランプ7374の非線形抵抗特性曲線
発振器のゲイン安定基準を白熱電球で実現する方法
ウィーンブリッジ発振器の回路図を図3に示します。7374 電球がオペアンプの反転入力端子に接続されていることに注意してください。オペアンプのゲインは、帰還抵抗と入力抵抗の比で決まることを思い出してください。
Gain \propto \dfrac{R_f}{R_{In}}
図3では、 R_{In} の代わりにランプが使われています。その結果、回路のゲインはランプの抵抗値に連動します。
Gain \propto \dfrac{R_f}{R_{lamp}}
発振器の出力が増加すると、ランプの熱が上昇します。この熱の上昇は、抵抗の増加を引き起こします。この増加した抵抗は、システムのゲインを下げるのに役立ちます。総合すると、発振器の出力を一定に保つ自然なフィードバックメカニズムが得られます。
図3： 7374型ランプとLF412オペアンプを搭載したウィーンブリッジ発振器の回路図
典型的なウィーンブリッジ発振器の部品値
回路を規定する古典的な式は次のとおりです。
f = \dfrac{1}{2 \pi R_1C_1}
および
R_f = 2R_b
式の導出過程を示すよりも、部品の値を決定する実際的な方法を探ってみましょう。 R_f から始めます。 R_f = 2R_b が分かっているので、分圧器を使えば、出力電圧からランプ電圧を計算できます。
V_b = V_{Out}\dfrac{R_b}{R_b + R_f} = V_{Out}\dfrac{R_b}{R_b + 2R_b} = \dfrac{1}{3}V_{Out}
この特性を知っていれば、制限の範囲内で、希望する出力電圧に応じた R_f を選択できます。例えば、±12V DCの電源レールがあり、±6Vのピーク出力を必要とします。その結果、RMS出力電圧は4.2Vとなります。方程式を用いると、出力電圧の1/3すなわち1.4Vがランプに印加されていることがわかります。図2の表を使用すると、これは150Ω（ホットバルブ抵抗）に相当します。次に、 R_f を 2R_b または約300Ωとして選択することができます。
R1とC1については、1kHzの出力信号を必要だとします。一般的に行われるように、まずコンデンサを選び、次に適切な抵抗を選びます。 C_1 = 0.1uFとすると R_1 には1.6kΩの抵抗が適切です。
アンプの中心が1kHzとなるように抵抗をトリミングする場合もあれば、そうでない場合もあります。また、可変周波数出力を提供するために、デュアルギャング抵抗やデュアルギャングコンデンサを追加することも可能です。抵抗は比較的簡単に入手できますが、大型の可変コンデンサは高価で、特殊なRFアプリケーションを除けば、ほとんど過去のものとなっています。
技術的なヒント： 発振回路やフィルタ回路では、コンデンサの値から始めると便利なことが多いです。これは部品の入手のし易さを反映しています。入手できるコンデンサの値よりも、入手できる抵抗値の方が、かなり多いという認識です。
ウィーンブリッジ発振器の性能
回路の性能は、Digilent Analog Discovery 3を用いて測定しました。回路の電源は±12V DCレールです。その結果、図4のオシロスコープ画面では、ピーク値が約±6Vの振幅を持つきれいな正弦波を示しています。周波数は約1kHzです。
図5は、低歪みの主張を裏付けるものです。ここでは1kHzのスパイクが見られます。-80dBmのノイズフロアには測定可能な高調波がありません。このような単純な回路としては驚くべき性能です。
図4： ウィーンブリッジ発振器は約1kHzで±6V DCの信号を生成します
図5： ウィーンブリッジ発振器のスペクトルは純粋で、ピークから-80dBm下には測定可能な高調波がありません
技術的なヒント： ウィーンブリッジ発振器は、広範囲の抵抗値で動作します。図2の曲線が示すように、ランプは最大動作電圧までずっと正の温度係数を持つので、これは驚くべきことではありません。制限要因は、オペアンプの設計上の最大レール電圧です。低歪みにするには、出力をレール電圧の約1/2に制限してクリッピングを避けなければなりません。この記事では、ピーク発振器出力をレール電圧の1/2に制限しました。
ウィーンブリッジ発振器の応用
テストベンチに低コストの高品質発振器を追加するのは望ましいことです。有用なアプリケーションの1つは、アンプの歪みをテストすることです。ここでは、クリーンな正弦波をアンプに送り、高調波を探します。この記事で紹介したDigilent Analog Discoveryのような低価格スペクトラムアナライザの登場により、これらの高調波を簡単に確認することができます。実験として、簡単なベース接地のトランジスタ増幅器を作り、バイアス、エミッタ縮退抵抗、レール電圧、温度などの変化に対する反応を見ることができます。
最後に
ぜひ、ウィーンブリッジ発振器を作って実験してください。その結果を共有してください。さらに、あなたのアプリケーションを共有して頂けたら、嬉しいです。
ご健闘をお祈りします。
APDahlen