De oscillator bestaat voornamelijk uit een filter dat het signaal 180° verschuift en via de inverterende ingang terugstuurt naar de op-amp. Het faseverschuivingsfilter bestaat uit drie condensatoren van 22nF en weerstanden van 6,8kΩ. De laatste weerstand is verbonden met de inverterende ingang van de op-amp, die virtueel geaard is via het terugkoppelsignaal (weerstand van 56kΩ en 1N4148 diodes).

De oscillator begint te oscilleren op de frequentie waarbij de faseverschuiving in het filter het meest overeenkomt met een faseverschuiving van 180°. De frequentie is

Omdat het filter de fase van het signaal omkeert, en de op-amp dat ook doet, hebben we een schakeling waarvan het signaal steeds sterker wordt. Zonder amplitudebegrenzing zou de schakeling een sterk vervormd signaal produceren.

We hebben een "klassieke" tegenkoppeling (die het signaal niet in fase verschuift) bestaande uit een 56kΩ weerstand en twee 1N4148-dioden. De twee diodes dienen om "wat speling te geven" en de oscillator te laten starten.

Naarmate de signaalamplitude toeneemt, geleiden de diodes steeds meer, waardoor de maximale amplitude wordt beperkt. Dankzij de 56kΩ weerstand is er geen sprake van plotselinge clipping van het signaal.

Er is veel gediscuteerd over de correcte waarde van de tegenkoppelweerstand.

• Als de waarde te laag is, start de oscillator niet. Hij kan wel met twee diodes (en zonder weerstand) gestart worden, maar dan wordt het signaal begrensd en vervormd.

• Als de waarde te hoog is, wordt het signaal sterker en sterker en treedt er vervorming op omdat het signaal begrensd wordt door de voedingsspanning.

De tweede afbeelding toont de curve wanneer de weerstand de optimale waarde heeft (100kΩ). Er is nog steeds enige clipping (onvermijdelijk), maar we weten dat we op de goede weg zijn. Een iets lagere weerstandswaarde (82kΩ) en de oscillator start niet, een hogere waarde (120kΩ) en de vervormingen worden zeer significant.

Het is niet mogelijk om te vertrouwen op de verlaging van de versterking van de operationele versterker bij hoge amplitudes om een automatische begrenzing te bereiken. Dit werkt niet bij lage frequenties en is te afhankelijk van de gebruikte operationele versterker en de temperatuur.

Door de twee diodes toe te voegen kan de oscillator starten, zelfs met een te lage weerstand. Er is geen formule (althans, ik heb er geen gevonden...) om de beste weerstandswaarde te berekenen mét diodes. Ik heb een waarde gebruikt die iets meer dan de helft van de ideale waarde was. De weerstandswaarde bepaalt de amplitude van het uitgangssignaal: deze mag de voedingsspanning (hier: 13V) niet naderen.

We zitten goed met een effectieve amplitude van 923mV, wat overeenkomt met een piek-tot-piekspanning van 2,6V. De op-amp heeft nog steeds enige speling. Deze waarde zorgt voor de laagste vervorming, maar je kunt met een andere op-amp andere resultaten krijgen. Ik meet de vervorming met een Keithley THD-meter.

De totale harmonische vervorming bedraagt 0.089%: deze oscillator is in orde!

En nog een laatste afbeelding van de faseverschuiving, gemeten na de eerste condensator van 22nF (paars). Het signaal loopt voor, maar net niet 60° (dit hangt af van de componentwaarden, die een tolerantie hebben van 10% voor de condensatoren en 5% voor de weerstanden). Het oscilleert, maar niet op de juiste frequentie, die ook afhangt van de waarde van de weerstand van de conventionele terugkoppeling.

De frequentie ging van 601Hz naar 413Hz (wat dicht bij de berekende waarde ligt) toen de schakeling correct op een breadboard werd gebouwd en niet langer met losse draden.

De meest nauwkeurige sinusgolf werd verkregen door de laatste weerstand van 6,8kΩ te ontdubbelen: een weerstand van 12kΩ naar de massa en een weerstand van 15kΩ naar de ingang van de op-amp. Hiervoor moest de waarde van de weerstand van 56kΩ opnieuw worden aangepast.

Wetenschappers in witte jurken hebben berekend dat de beste waarde voor de feedbackweerstand 29× de waarde van de filterweerstanden is (d.w.z. 197,2kΩ). Dit als we een perfecte operationele versterker zouden gebruiken, weerstanden met exacte waarden en verliesvrije condensatoren.

De operationele versterker die ik gebruik (741) is verre van perfect, en de te gebruiken weerstandswaarde is de helft daarvan, maar geen enkele weerstandswaarde produceert een correct sinusvormig signaal. We missen een niet-lineair component waarvan de impedantie daalt als het signaal sterker wordt. De te gebruiken weerstandswaarde is ongeveer een kwart van de berekende waarde, en we voegen twee diodes toe om het opstarten mogelijk te maken.

Ten slotte, merk op dat we de weerstanden en condensatoren kunnen omwisselen (de faseverschuiving van de filter is dan na-ijlend), maar alle waarden moeten opnieuw worden berekend (en daar heb ik geen goesting voor).