Генератор... с лампочкой.

[ForcePoint]

Давно хотелось посмотреть на генератор "с мостом Вина и лампочкой-АРУ".
Схема банальна - формирователь виртуальной "земли" (лень было возиться с двуполярным питанием взял просто 15 В с нестабилизированного выпрямителя) и собственно генератор. По данным "СМН6.3-20.xls" решил использовать малые значения тока через лампу, т.к. это должно повышать качество АРУ. Сопротивления обратной связи - 180 и 270 Ом. Частотозадающие резисторы - 3.3 кОм (разброс порядка 10 Ом по китайскому тестеру). Конденсаторы - китайские аналоги К73 (плёночные 50.2 и 50 нФ при номинале 47). В одном опыте - К10-17 (33.5+7.5 и 41.2 нФ, группа ТКЕ, вероятно, Н90
- "плохая сегнетокерамика" с резисторами на 3.9 кОм).
Захват и обработка сигнала произведены программой Audacity. Частота дискретизации - 96 кГц, внутреннее представление данных - float32 (кодек ALC861 даёт разрешение до 24 бит). При расчёте спектра использовано окно Хэннинга и 8192 выборки. Из-за несовпадения частот с субдиапазонами расчёта - значения, показываемые по наводимому курсору, иногда на 1..2 дБ выше.
Выжимка из полученных данных - в таблице: резистор в цепи ОС, основная частота, гармоники со 2-й по 5-ю (нормированы по уровню основной гармоники для данного столбца).

ОУ		LM2902	LM2902	TL072	К157УД2	К157УД2	К157УД2
ОС/АРУ, ом	180	270	180	180	270	180, К10-17
Основная, Гц	972,66	972,66	984,38	984,38	984,38	1042,97
2-я гармоника	1957,03	1957,03	1968,75	1968,75	1968,75	2097,66
Уровень, дБ	-79,66	-70,92	-68,22	-73,82	-70,77	-73,42
3-я гармоника	2929,69	2929,69	2953,13	2953,13	2953,13	3140,63
Уровень		-47,84	-51,3	-87,7	-83,53	-81,08	-66,62
4-я гармоника	3902,34	3914,06	3931,64	3937,5	3937,5	4195,31
Уровень		-77,46	-77,05	-85,97	-97,72	-104,94	-97,78
5-я гармоника	4886,72	4886,72	4916,02	4921,88	4921,88	5238,28
Уровень		-50,9	-53,72	-91,05	-103,31	-96,68	-97,03

Начинающим - предлагаю сделать выводы самостоятельно (какой ОУ и конденсаторы лучше и почему, чего можно добиться сместив "виртуальную" землю из половины напряжения питания вверх или вниз). Опытные - под кат.

Нажмите, чтобы открыть спойлер

Выводы:
1. Рабочая точка должна быть скорее при меньшем токе лампы, чем при большем. Ср. 180 и 270 Ом в ОС с ОУ К157УД2 - "старшие" (2-я и 3-я) гармоники заметно выше при токе лампы всего на 25% больше (приблизительно, по графику "СМН6.3-20.xls"). Уж если не по искажениям, то по энергетике (выходной ток ОУ и требуемое напряжение питания) это лучше.
2. "Ширпотребный" ОУ (LM2902/LM324, LM2904/LM358) даёт большой уровень нечётных гармоник (+35..50 дБ), какой-то размытый шум на частотах 130..200 Гц и ещё комбинационные частоты этого шума (около высших гармоник). На аналоговом осциллографе - видны переходные искажения выходного каскада, работающего без начального смещения. "Честное" двуполярное питание кардинальных улучшений не дало.
К157УД2 тоже "ширпотреб", да ещё и с невыдающимися частотными свойствами входного каскада, но рождён для звуковой аппаратуры и даёт лучший результат. Частотная коррекция генератора - 20 пФ, формирователя "земли" - 27 пФ. При отключении компенсации генератора - рост 2-й и 3-й гармоник примерно на 25 дБ, 4-й - на 36 дБ.
TL072 должен-бы быть ещё лучше, но погиб на боевом посту.
3. Конденсаторы из "дешёвой" керамики дают +15 дБ для третьей гармоники и +6 для пятой. Вызывается это, вероятно, сильным пьезоэффектом. Заведомо "хорошей" керамики (X7R хотя-бы) под рукой не было.

P.P.S. Перевод прекрасной статьи "Max Wien, Mr. Hewlett, and a Rainy Sunday Afternoon" о генераторе с мостом Вина (by Jim Williams, Linear Technology).

Теперь, когда у меня был ордер на арест А1, ответ быстро стал очевидным. Моя схема нарушила малоизвестный принцип построения прецизионных схем на ОУ: правило Вильямса. Правило Вильямса просто: ВСЕГДА ИНВЕРТИРУЙ (кроме тех случаев, когда совсем не можешь). Это правило, провозглашённое после бесчисленных войн с причудливыми, непостижимыми и трудноустранимыми эффектами в многочисленных схемах, было придумано, чтобы исключить скользкие результаты неидеального подавления синфазного напряжения в ОУ. Эффект, вызванные синфазными напряжениями, часто трудно предсказать и обнаружить, не говоря уж о том, чтобы исправлять. Суммирующая точка с нулевым потенциалом — очень дружественное, очень надёжное место. Она (обычно) предсказуема, математически понятна и неуязвима для коварных драконов синфазного режима.