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、相移振荡器和双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：

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。

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。

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。

(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：环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：

当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。

(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：

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。

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：

当直流电源接通时，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。

（2）相移振荡器：有一类振荡器为相移振荡器，如下图所示，

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 = R且C1 = C2 = C3 = C时，振荡频率为：