解讀文氏電橋振蕩電路設計

文氏電橋振蕩電路（Wien bridge oscillator circuit），簡稱“文氏電橋”，是一種適于產(chǎn)生正弦波信號的振蕩電路之一，此電路振蕩穩(wěn)定且輸出波形良好，在較寬的頻率范圍內(nèi)也能夠容易調(diào)節(jié)，因此應用場合較為廣泛。

如下圖所示為基本文氏電橋振蕩電路：

其中，R1、R2、C1、C2組成的RC串并網(wǎng)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，電路的行為取決于正負反饋那一邊占優(yōu)勢（為便于分析，通常都假設R1=R2=R且C1=C2=C，當然這并不是必須的）。

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(shù)如下：

可以證明，當放大倍數(shù)小于3時（即R4/R3=2），負反饋支路占優(yōu)勢，電路不起振；當放大倍數(shù)大于3時，正反饋支路占優(yōu)勢，電路開始起振并不是穩(wěn)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。

只有當放大倍數(shù)恰好為3時，正負反饋處于平衡，振蕩電路會持續(xù)穩(wěn)定的工作，此時輸出波形的頻率公式如下所示：

也可以這樣理解：電路剛上電時會包含頻率豐富的擾動成分，這些擾動頻率都將會被放大，隨后再縮小，依此循環(huán)，只有擾動成分的頻率等于f0時，放大的倍數(shù)為3，而縮小的倍數(shù)也為3，電路將一直不停地振蕩下去，也就是說，頻率為f0的成分既不會因衰減而最終消失，也不會因一直不停放大而導致運放飽和而失真，相當于此時形成了一個平衡電橋。

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必須等于2（也就是放大倍數(shù)必須為3），只要有一點點的偏差，電路就不可能穩(wěn)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(xiàn)停振（放大倍數(shù)小于3）或失真（放大倍數(shù)大于3）的情況。

我們用下圖所示的電路參數(shù)進行仿真：

當R4=100K時，放大倍數(shù)為11，輸出波形如下圖：

當R4=30K時，放大倍數(shù)為4，輸出波形如下圖：

當R3=21K時，放大倍數(shù)為3.1倍，輸出波形如下圖所示：

當R3=20.1K時，放大倍數(shù)為3.01倍，輸出波形如下圖所示：

注意縱軸單位為mV（毫伏），此時電路起振后不斷地放大導致幅度增加（此圖只是一部分），但由于放大倍數(shù)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(shù)為3倍，輸出波形如下圖所示：

注意縱軸單位為pV（皮伏），放大倍數(shù)太小，一直都處在小信號狀態(tài)，什么時候達到大信號狀態(tài)也無從得知，因此這里就沒圖了，不好意思。

當R3=15K時，放大倍數(shù)為2.5倍（負反饋占優(yōu)勢），如下圖所示：

把局部放大后如下圖所示，注意縱軸單位

可以看到，電路的放大倍數(shù)越大，則電路越容易起振，但只要放大倍數(shù)超過3，則輸出波形都將出現(xiàn)削波失真，如果放大倍數(shù)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(shù)為3.00000XXXX可真不是件容易的事。

為了讓電路更容易應用于實踐，我們有必要對其進行優(yōu)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(shù)大于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(shù)自動切換為小于3，這樣就能限制振蕩的最大幅度，從而避免振蕩波形出現(xiàn)削波失真。

這里增加了R5、D1、D2，當振蕩信號比較小時，二極管沒有導通，因此R5、D1、D2支路相當于沒有，因此放大倍數(shù)大于3，而當振蕩信號比較大時，二極管導通，相當于R5與R4并聯(lián)，這樣放大倍數(shù)就會小一些（合理設置R5的阻值，可以使其放大倍數(shù)小于3）。

我們用下圖所示的電路參數(shù)進行仿真：

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(tǒng)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，此時相當于一個電壓跟隨器，因此輸出靜態(tài)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(shù)進行仿真：

其輸出波形如下圖所示：

可以看到，輸出正弦波是以6V（即12V的一半）作為中點的。

也有如下圖所示相似的電路，讀者可自行仿真，原理是一致的。

從原理上很容易看出，電路輸出波形的幅度與二極管的正向壓降有很大的關系，我們可以用下圖所示電路來擺脫這個問題：

N溝道JFET的閥值電壓VTH為負壓，當VGS=0時（即電路剛上電時），源-漏導通而將R5短接到地，R5與R3并聯(lián)再與R4組成負反饋，此時電路的放大倍數(shù)約為3.3（大于3），電路開始起振，振蕩的幅度也會越來越大；當輸出負壓足以使VGS《VTH時，JFET截止，此時電路的放大倍數(shù)約為2.9（小于3），此電路的輸出幅值約為JFET的閥值電壓（負壓）加一個二極管壓降，即VTH+VD，其輸出波形如下圖所示：

下圖也是一種穩(wěn)幅電路，如下圖所示，讀者可自行分析：