使用運(yùn)算放大器的RC相移振蕩器

相移振蕩器是一種產(chǎn)生正弦波輸出的電子振蕩器電路。它可以通過使用晶體管或使用運(yùn)算放大器作為反相放大器來設(shè)計(jì)。通常，這些相移振蕩器用作音頻振蕩器。在 RC 相移振蕩器中，RC 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生 180 度相移，運(yùn)算放大器產(chǎn)生另一個(gè) 180 度相移，因此產(chǎn)生的波反轉(zhuǎn) 360 度。

除了產(chǎn)生正弦波輸出外，它們還用于對相移過程提供重要的控制。相移振蕩器的其他用途是：

在音頻振蕩器中

正弦波逆變器

語音合成

全球定位系統(tǒng)單位

樂器。

在我們開始設(shè)計(jì) RC 相移振蕩器之前，讓我們更多地了解它的相位和相移。

什么是相位和相移？

相位是 360 度參考中正弦波的完整周期周期。一個(gè)完整的周期定義為波形返回其任意初始值所需的時(shí)間間隔。相位表示為該波形周期上的一個(gè)指向位置。如果我們看到正弦波，我們可以很容易地識別相位。

在上圖中，顯示了一個(gè)完整的波浪周期。正弦波的初始起點(diǎn)相位為 0 度，如果我們識別每個(gè)正負(fù)峰值和 0 點(diǎn)，我們將得到 90、180、270、360 度相位。因此，當(dāng)一個(gè)正弦信號開始它的旅程而不是 0 度參考時(shí)，我們將其稱為與 0 度參考的相移微分。

如果我們看到下一張圖像，我們將確定 相移正弦波的 外觀。..

在這張圖片中，出現(xiàn)了兩個(gè)交流正弦信號波，第 一個(gè)綠色正弦波的相位為 360 度， 而紅色的正弦波與綠色信號的相位相差 90 度。

這種相移可以使用簡單的 RC 網(wǎng)絡(luò)來完成。

RC相移振蕩器

一個(gè)簡單的 RC 相移振蕩器提供 60 度的最小相移。

上圖顯示了一個(gè)單極相移 RC 網(wǎng)絡(luò)或梯形電路，它使輸入信號的相位偏移等于或小于 60 度。

理想情況下，RC 電路的輸出波的相移應(yīng)該是 90 度，但實(shí)際上它大約是 90 度。60度，因?yàn)?a href="http://wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容不理想。RC網(wǎng)絡(luò)相位角的計(jì)算公式如下：

φ = tan -1 （Xc / R）

其中，Xc 是電容器的電抗，R 是連接在 RC 網(wǎng)絡(luò)中的電阻器。

如果我們級聯(lián) RC 網(wǎng)絡(luò)，我們將獲得 180 度 相移。

現(xiàn)在要創(chuàng)建振蕩和正弦波輸出，我們需要一個(gè)有源組件，即 反相配置的晶體管或運(yùn)算放大器。

為什么將運(yùn)算放大器用于 RC 相移振蕩器而不是晶體管？

使用晶體管構(gòu)建 RC 相移振蕩器有一些限制：

它僅對低頻穩(wěn)定。

RC 相移振蕩器需要額外的電路來穩(wěn)定波形的幅度。

頻率精度并不完美，也不能免受噪聲干擾。

不利的加載效應(yīng)。由于級聯(lián)形成，第二個(gè)極點(diǎn)的輸入阻抗會改變第一個(gè)極點(diǎn)濾波器的電阻器電阻特性。級聯(lián)的濾波器越多，情況越糟糕，因?yàn)樗鼤绊懹?jì)算的相移振蕩器頻率的準(zhǔn)確性。

由于電阻和電容兩端的衰減，每一級的損耗增加，總損耗約為輸入信號的 1/29。

隨著電路在 1/29 處衰減，我們需要恢復(fù)損失。

使用運(yùn)算放大器的 RC 相移振蕩器

當(dāng)我們將運(yùn)算放大器用于 RC 相移振蕩器時(shí)，它起到了反相放大器的作用。最初，輸入波已經(jīng)進(jìn)入 RC 網(wǎng)絡(luò)，因此我們得到了 180 度的相移。并且，RC 的這個(gè)輸出被饋送到運(yùn)算放大器的反相端。

現(xiàn)在，我們知道運(yùn)算放大器在用作反相放大器時(shí)會產(chǎn)生 180 度的相移。因此，我們在輸出正弦波中得到了 360 度的相移。即使在變化的負(fù)載條件下，這種使用運(yùn)算放大器的 RC 相移振蕩器也能提供恒定的頻率。

所需組件

運(yùn)算放大器 IC – LM741

電阻器 – （100k – 3nos， 10k – 2nos， 4.7k）

電容器 – （100pF – 3nos）

示波器

電路原理圖

使用運(yùn)算放大器模擬 RC 相移振蕩器

RC 相移振蕩器提供準(zhǔn)確的正弦波輸出。在最后的仿真視頻中可以看到，我們已經(jīng)將示波器的探頭設(shè)置為電路的四個(gè)階段。

在這里，反饋網(wǎng)絡(luò)提供 180 度的相移。我們從每個(gè) RC 網(wǎng)絡(luò)中獲得 60 度。并且，剩余的 180 度相移由反相配置中的運(yùn)算放大器產(chǎn)生。

要計(jì)算振蕩頻率，請使用以下公式：

F = 1 / 2πRC√2N

使用運(yùn)放的RC相移振蕩器的缺點(diǎn)是不能用于高頻應(yīng)用。因?yàn)橹灰l率太高，電容器的電抗就會很低，它會起到短路的作用。