使用運算放大器的維恩橋振蕩器設(shè)計

由于具有良好的頻率穩(wěn)定性、極低的失真和易于調(diào)諧等優(yōu)點，維恩橋振蕩器成為最為流行的音頻范圍信號發(fā)生器電路。由于這種類型的振蕩器使用RC反饋網(wǎng)絡(luò)，因此也可以被視為RC振蕩器。

普通振蕩器與維恩橋振蕩器的主要區(qū)別在于，在普通振蕩器中，放大器級引入了180度相移，并通過反饋網(wǎng)絡(luò)引入了額外的180度相移，從而在環(huán)路周圍獲得 360度或0度相移滿足巴克豪森準則。但是，在維恩橋振蕩器的情況下，放大器級中使用的非反相放大器不會引入任何相移。因此，為了滿足巴克豪森標準，不需要通過反饋網(wǎng)絡(luò)進行相移。

維恩橋振蕩器基本電路

維恩橋振蕩器產(chǎn)生正弦波，它使用RC網(wǎng)絡(luò)作為電路的頻率確定部分，帶有放大級的維恩橋振蕩器的基本電路如下圖所示：

從上圖可以看出，放大器的輸出施加在端子1和3之間，而放大器級的輸入從端子2和4提供，因此放大器輸出成為電橋的輸入電壓，而電橋的輸出成為放大器的輸入電壓。

當電橋平衡時，放大器的輸入電壓變?yōu)榱?，為了產(chǎn)生持續(xù)的振蕩，放大器的輸入必須不消失。因此，可以通過調(diào)整電阻器的適當值來使得電橋不平衡。

正如上面所述，RC網(wǎng)絡(luò)負責確定振蕩器的頻率。RC網(wǎng)絡(luò)由兩個頻率敏感臂組成，即串聯(lián)R1C1和并聯(lián)R2、C2，該網(wǎng)絡(luò)也稱為超前滯后電路。

在滯后電路中，電容器兩端的輸出電壓落后于輸入電壓的角度介于0到–90度之間。在超前電路中，電阻兩端的輸出電壓超前輸入電壓的角度為0到90度。

在非常低的頻率下，輸出電壓變?yōu)榱?，因為串?lián)電容器表現(xiàn)為開路，并且在非常高的頻率下也沒有輸出，因為并聯(lián)電容器充當輸入電壓的短路路徑。因此在這兩種極端條件之間，輸出電壓達到最大值。

諧振頻率是輸出電壓最大的頻率。在這個頻率下，反饋分數(shù)K達到最大值的1/3。當Xc=R時反饋最大，因此諧振頻率由下式給出：

f=1/2πRC

上圖表示諧振頻率下的輸出電壓。在諧振頻率下，電路的相移為零，衰減為1/3。因此，為了保持振蕩，放大器必須具有大于3的增益。通過將兩個電容器安裝在軸上并同時改變它們的值，維恩橋振蕩器可以提供不同的頻率范圍。

使用運算放大器的維恩橋振蕩器

下圖顯示了一種廣泛使用的維恩電橋振蕩器電路。運算放大器用于非反相配置，反饋形成分壓器網(wǎng)絡(luò)。電阻R1和Rf形成反饋路徑的一部分，它決定或有助于調(diào)整放大器增益。

運算放大器的輸出在a和c點作為輸入連接到電橋，而在b和d點的電橋輸出連接到運算放大器的輸入。

放大器輸出的一部分通過分壓器網(wǎng)絡(luò)(電阻和電容的串聯(lián)組合)反饋到放大器的正端或非反相端。此外，放大器的第二部分通過大小為2R的阻抗反饋到放大器的反相或負端子。

如果反饋網(wǎng)絡(luò)元件選擇得當，輸入到放大器的信號的相移在某個頻率處為零。由于放大器是非反相的，它引入了零相移加上反饋網(wǎng)絡(luò)零相移，因此總相移在環(huán)路周圍變?yōu)榱?，因此需要振蕩條件。

因此，維恩橋振蕩器用作正弦波發(fā)生器，其振蕩頻率由R和C分量決定。

運算放大器的增益表示為：A=1 + (Rf/R1)。

正如上面所介紹的，同相放大器的增益必須至少為3才能滿足巴克豪森標準。

所以，1 + (Rf / R1) ≥ 3 =>(Rf / R1) ≥2

因此，電阻Rf與R1的比率必須等于或大于2。振蕩頻率由下式給出：

f=1/2πRC

晶體管維恩橋振蕩器

下圖顯示了使用兩級共發(fā)射極晶體管放大器的晶體管維恩橋振蕩器，每個放大器級引入了180度的相移，因此引入了總的360度相移。反饋橋由RC串聯(lián)元件、RC并聯(lián)元件、R3和R4電阻組成。橋式電路的輸入通過耦合電容器從晶體管T2的集電極施加。

當將直流電源施加到電路時，由于電荷載流子通過晶體管和其它電路組件的移動，在晶體管T1的基極處會產(chǎn)生噪聲信號。該電壓通過增益A放大，并產(chǎn)生與輸入電壓相差180度的輸出電壓。

該輸出電壓作為輸入施加到第二個晶體管T2基極端，并且該電壓乘以T2的增益。

晶體管T2的放大輸出與T1的輸出相位相差180度。此輸出通過耦合電容器C反饋到晶體管T1。因此，當滿足巴克豪森條件時，此正反饋會在寬頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生振蕩。

通常情況下，反饋網(wǎng)絡(luò)中的維恩橋包含單個所需頻率的振蕩。電橋在總相移為零的頻率處得到平衡。兩級晶體管的輸出充當反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入，反饋網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于基極和地之間。

反饋電壓Vf = (Vo×R4) / (R3+R4)

維恩橋的自動增益控制

增益必須是自我調(diào)節(jié)的，以實現(xiàn)反饋振蕩器的穩(wěn)定性。這是自動增益控制 (AGC) 的一種形式。這可以通過簡單地將齊納二極管與反饋網(wǎng)絡(luò)中的電阻器R3并聯(lián)來實現(xiàn)。當輸出信號達到齊納擊穿電壓時，齊納二極管導(dǎo)通，進而導(dǎo)致電阻R3短路。

這會將放大器增益降低到3，因此總環(huán)路增益1的結(jié)果會產(chǎn)生持續(xù)的振蕩。雖然這種自動增益控制方法很簡單，但它會受到齊納二極管的非線性影響，因此正弦波會失真。

當然，控制增益的另一種方法是使用JFET作為負反饋路徑中的壓控電阻。與齊納二極管方法相比，這種增益控制方法產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波形。JFET在具有小或零Vos的歐姆區(qū)域中工作。

因此，漏源電阻隨著柵極電壓的增加而增加。當JFET置于負反饋回路中時，通過該電壓控制電阻實現(xiàn)自動增益控制。

上圖說明了JFET穩(wěn)定維恩橋振蕩器的自動增益控制。在該電路中，放大器增益由組件Rf、R3和Q1控制。取決于柵極電壓，漏源電阻是變化的。該電阻在柵極零伏時最小。此時，環(huán)路增益將大于1。

隨著輸出電壓迅速增加，負輸出信號正向偏置二極管，因此電容器充電至負電壓。該充電電壓會增加漏極和源極之間JFET的電阻，從而進一步降低放大器增益。

通過選擇適當?shù)姆答伔至恐?，可以將環(huán)路增益穩(wěn)定在所需水平。

主要優(yōu)點

由于使用了二級放大器，維恩橋振蕩器的整體增益很高。

通過改變C1和C2的值或使用可變電阻器，可以改變振蕩頻率。

維恩橋產(chǎn)生非常好的正弦波，失真較小。

頻率穩(wěn)定性好。

由于沒有電感器，因此不會受到外部磁場的干擾。

主要缺點

兩級放大器類型的維恩橋振蕩器需要更多數(shù)量的元件。

不能產(chǎn)生非常高的頻率。

總結(jié)

簡單來說，維恩橋振蕩器是一個兩級RC耦合放大器電路，在諧振頻率下具有良好的穩(wěn)定性，低失真并且非常容易調(diào)諧，使其成為一種流行的電路，作為音頻振蕩器但是相位輸出信號的移位與先前的相移RC振蕩器有很大不同。