具有RC反馈电路的正弦波振荡器(文氏桥振荡器+相移振荡器+双T振荡器)

2024-9-10,星期二,22:13,天气:雨,心情:晴。今天从下午开始淅淅沥沥一直在下雨,还好我有先见之明没骑自行车,但是我忘带伞了,属于说是有点脑子但是不多了,2333333.好啦,吐槽结束,开始学习。

今天继续学习第十章的内容,主要学习内容为:具有RC反馈电路的正弦波振荡器(文氏桥振荡器+相移振荡器+双T振荡器)

一、振荡器与定时器(续)

1. 具有RC反馈电路的正弦波振荡器

本节学习三种使用RC电路产生正弦波的电路:文氏桥振荡器相移振荡器双T振荡器。RC反馈振荡器通常使用于频率小于1MHz的情况下,在该频率范围内,文氏桥振荡器是应用最广的振荡器

(1)文氏桥振荡器电路:文氏桥电路的基本组成部分是超期-滞后网络,如下图所示,R1与C1形成滞后网络,R2与C2形成超前网络:

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具体工作原理为:当频率较低时,由于C2的高电抗,超前网络起决定作用,电路断开,输出电压为0;随着频率的增加,XC2逐渐减小,输出电压逐渐增加;随着频率的增加,XC1减小使得输出电压下降

下图为超前-滞后网络的响应曲线,从图中可以看出,输出电压的峰值处于谐振频率fr处,此时,如果R1 = R2,并且XC1 = XC2,则网络的衰减(Vout / Vin)为1 / 3,此时的谐振频率为fr = 1 / 2ΠRC

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综上所述,在文氏桥电路的谐振频率fr处网络的相移为0°,并且衰减1 / 3频率低于fr时,超前网络起主导作用,并且输出超前输入;当频率高于fr时,滞后网络起主导作用,输出滞后于输入

(a)基本电路:超前-滞后网络用于运算放大器的正反馈环路中,如下图所示,分压器用于负反馈回路中,所以,文氏桥振荡器电路可以看作是一个同相放大器结构,从前面的知识可以知道,放大器的闭环增益由分压器决定,Acl = 1 / B = 1 / [R2 / (R1 + R2)] = (R1 + R2) / R2

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为了表明运算放大器在桥的两端,将电路重新连接,见下图,从图中可以清晰的看出,桥的一端是之后网络,另一端是分压器。

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(b)振荡的正反馈条件:根据前面学的内容,想要使电路能够产生持续的正弦波输出(振荡)则需要满足两个条件路正反馈上的相移必须为0°;环路增益必须为1(单位增益)。当频率为谐振频率fr时,超前-滞后网络的相移为0°,故满足正反馈0相移条件,如下图所示:

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Acl = 3时,环路增益可以抵消超前-滞后网络引起的1 / 3衰减,使总环路增益为1,为了使环路增益Acl = 3,应使R1 = 2R2

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(c)开始条件:开始时,放大器本身的闭环增益必须大于3(Acl > 3),直到输出信号达到期望的电平

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随后,理想情况下,放大器的增益必须减小到3使得环路上的总增益为1,使输出信号维持在理想的水平保持持续振荡

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下图给出了一种获得并维持振荡的方法,该电路中,分压器网络中加入了一个额外的电阻R3以及与之并联的一组背靠背的齐纳二极管

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直流电源接通时,两个齐纳二极管均断开,R3和R2串联,因此增加路放大器的闭环增益Acl = (R1 + R2 + R3) / R2 = (3R2 + R3)  / R2 = 3 + (R3 / R2)。开始时,因为噪声或在电源闭合瞬间会产生小的正反馈信号,而超前-滞后网络只允许频率等于fr的信号出现在同相输入端(相移为0°),反馈信号经过放大并连续加强使得输出电压产生;当输出电压达到齐纳二极管的击穿电压使,齐纳二极管导通,此时R3被短路,这会使放大器的闭环增益降至3,此时,总的环路增益为1输出信号保持稳定并连续振荡,需要注意的时,这种电路中的齐纳二极管在其导通时限制了非线性增益。

虽然齐纳二极管反馈网络很简单,但是因为其非线性增益被限制,所以很难获得理想的正弦波,所以,控制增益的另一种方法是使用JFET在反馈路径中作为电压控制的电阻,以产生稳定良好的正弦波形,当JFET的栅极电压增加时漏源漏源电阻增加,如果把JFET放在负反馈路径中,利用电压控制电阻就能实现自动增益控制。下图为一典型的JFET稳定文氏桥振荡器,运算放大器增益由红色方框圈出,JFET的漏源电阻依赖栅极电压,当没有输出信号时,栅极为0V,此时漏源电阻最小环路增益大于1振荡器开始工作并快速到达最大幅值,此时输出信号的负相部分时二极管D1导通,并使C3充电(负电压),这个电压使JFET的漏源电阻增加使增益减小并持续振荡

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(2)相移振荡器:有一类振荡器为相移振荡器,如下图所示,

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反馈回路中的每个RC网络可以提供一个约90°的相移,振荡发生在三个RC网络的总相移为180°频率处,运算放大器本身的反向作用提供额外180°的相移,满足环绕反馈环路360°(或0°)的相移震荡要求。三节RC反馈网络的衰减B = R3 / Rf = 1 /29,也就是说,为了满足环路总增益大于1的要求,运算放大器的闭环电压增益必须大于29,当R1 = R2 = R3 = RC1 = C2 = C3 = C时,振荡频率为:

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(3)双T滤波器:下图为双T滤波器,反馈环路中使用了两个T型RC滤波器,

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双T滤波器中的一个具有低通响应另一个具有高通响应合并后的滤波器具有带阻响应中心频率等于期望的振荡频率fr

频率高于或低于fr时,由于通过滤波器的是负反馈,所以不会发生振荡,在频率为fr处,负反馈可以忽略,此时,通过分压器(R1和R2)的正反馈允许电路振荡

 

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