頗為全面的文氏電橋振蕩電路的分析與設計,拿走不謝!

2021-01-15 電子製作站

Author: Jackie Long

正弦波振蕩電路的具體形有很多種,比如電容三點式、電感三點式、LC振蕩式等等,文氏電橋振蕩電路(Wien bridge oscillator circuit),簡稱"文氏電橋",也是一種適於產生正弦波信號的振蕩電路,因振蕩穩定且輸出波形良好,在較寬的頻率範圍內也能夠容易調節,因此應用場合較為廣泛。

基本的文氏電橋振蕩電路結構如下所示:

上圖中,R1、R2、C1、C2組成的RC串併網絡將輸出正反饋至同相輸入端,R3、R4則將輸出負反饋至運放的反相輸入端,電路的行為取決於正負反饋那一邊佔優勢(為便於分析,通常都假設R1=R2=R且C1=C2=C,當然這並不是必須的)。

可以將該電路看作對A點輸入(即同相端電壓)的同相放大器,因此該電路的放大倍數如下:

可以證明,當放大倍數小於3時(即R4/R3=2),負反饋支路佔優勢,電路不起振;當放大倍數大於3時,正反饋支路佔優勢,電路開始起振並不是穩定的,振蕩會不斷增大,最終將導致運放飽和,輸出的波形是削波失真的正弦波。

但是這個電路的實際應用幾乎沒有,因為它對器件的要求非常高,即R4/R3必須等於2(也就是放大倍數必須為3),只要有一點點的偏差,電路就不可能穩定地振蕩下去,因為元件不可能十分精確,就算可以做到,受到溫度、老化等因素,電路也可會出現停振(放大倍數小於3)或失真(放大倍數大於3)的情況。

我們用下圖所示的電路參數進行仿真:

當R4=100K時,放大倍數為11,其輸出波形如下圖:

當R4=30K時,放大倍數為4,其輸出波形如下圖:

當R3=21K時,放大倍數為3.1倍,其輸出波形如下圖所示:

當R3=20.1K時,放大倍數為3.01倍,其輸出波形如下圖所示:

注意縱軸單位為mV(毫伏),此時電路起振後不斷地放大導致幅度增加(此圖只是一部分),但由於放大倍數太小,因此達到大信號電平需要更長的時間。

當R3=20K時,放大倍數為3倍,其輸出波形如下圖所示:

注意縱軸單位為pV(皮伏),放大倍數太小,一直都處在小信號狀態,什麼時候達到大信號狀態也無從得知,因此這裡就沒圖了,不好意思。

當R3=15K時,放大倍數為2.5倍(負反饋佔優勢),其波形如下圖所示:

把局部放大後如下圖所示,注意縱軸單位

可以看到,電路的放大倍數越大,則電路越容易起振,但只要放大倍數超過3,則輸出波形都將出現削波失真,如果放大倍數設置恰好為3,則仿真時間要等很久才會有結果。實際用器件搭電路時,要做到放大倍數為3.00000XXXX可真不是件容易的事.

為了讓電路更易應用於實踐,有必要對其進行一些優化,如下圖所示:

我們的修改思路是這樣:當電路開始振蕩時保證放大倍數大於3,這樣可以使得電路容易起振,而當電路的振蕩幅度增大到某個程度時,將其放大倍數自動切換為小於3,這樣就能限制振蕩的最大幅度,從而避免振蕩波形出現削波失真。

修改的電路中增加了R5、D1、D2,因此,當振蕩信號比較小時,二極體沒有導通,因此R5、D1、D2支路相當於沒有,因此放大倍數大於3,而當振蕩信號比較大時,二極體導通,相當於R5與R4並聯,這樣放大倍數就會小一些(合理設置R5的阻值,可以使其放大倍數小於3)。

其輸出波形如下圖所示:

下圖為局部放大的波形圖,可以看到,此時的輸出波形不再有失真。

實際應用中,我們也可能需要單電源供電的振蕩電路,如下圖所示:

在單電源供電系統中,我們增加了電阻R6與電容C3,電阻R6的值通常與R1相同,這樣兩者對直流正電源VCC分壓,則有A點的電位為(VCC/2),再利用電容C3的"隔直流通交流"特性,使R4(R5)引入直流全負反饋,此時相當於一個電壓跟隨器,因此輸出靜態時輸出電壓為VCC/2,此時電路的直流通路等效如下圖所示:

我們用下圖所示的電路參數進行仿真:

其輸出波形如下圖所示,輸出正弦波是以6V(即12V的一半)作為中點的。:

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