文氏電橋振蕩電路及Multisim仿真案例解析

文氏電橋振蕩電路（Wien bridge oscillator circuit），簡(jiǎn)稱“文氏電橋”，是一種適于產(chǎn)生正弦波信號(hào)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(yīng)用場(chǎng)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(luò)將輸出正反饋至同相輸入端，R3、R4則將輸出負(fù)反饋至運(yùn)放的反相輸入端，電路的行為取決于正負(fù)反饋那一邊占優(yōu)勢(shì)（為便于分析，通常都假設(shè)R1=R2=R且C1=C2=C，當(dāng)然這并不是必須的）。

可以將該電路看作對(duì)A點(diǎn)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(dāng)放大倍數(shù)小于3時(shí)（即R4/R3=2），負(fù)反饋支路占優(yōu)勢(shì)，電路不起振；當(dāng)放大倍數(shù)大于3時(shí)，正反饋支路占優(yōu)勢(shì)，電路開(kāi)始起振并不是穩(wěn)定的，振蕩會(huì)不斷增大，最終將導(dǎo)致運(yùn)放飽和，輸出的波形是削波失真的正弦波。

只有當(dāng)放大倍數(shù)恰好為3時(shí)，正負(fù)反饋處于平衡，振蕩電路會(huì)持續(xù)穩(wěn)定的工作，此時(shí)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(shí)會(huì)包含頻率豐富的擾動(dòng)成分，這些擾動(dòng)頻率都將會(huì)被放大，隨后再縮小，依此循環(huán)，只有擾動(dòng)成分的頻率等于f0時(shí)，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(shuō)，頻率為f0的成分既不會(huì)因衰減而最終消失，也不會(huì)因一直不停放大而導(dǎo)致運(yùn)放飽和而失真，相當(dāng)于此時(shí)形成了一個(gè)平衡電橋。

但是這個(gè)電路的實(shí)際應(yīng)用幾乎沒(méi)有，因?yàn)樗鼘?duì)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(diǎn)點(diǎn)的偏差，電路就不可能穩(wěn)定地振蕩下去，因?yàn)樵豢赡苁志_，就算可以做到，受到溫度、老化等因素，電路也可會(huì)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(jìn)行仿真：

當(dāng)R4=100K時(shí)，放大倍數(shù)為11，輸出波形如下圖：

當(dāng)R4=30K時(shí)，放大倍數(shù)為4，輸出波形如下圖：

當(dāng)R3=21K時(shí)，放大倍數(shù)為3.1倍，輸出波形如下圖所示：

當(dāng)R3=20.1K時(shí)，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(shí)電路起振后不斷地放大導(dǎo)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(dá)到大信號(hào)電平需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

當(dāng)R3=20K時(shí)，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(hào)狀態(tài)，什么時(shí)候達(dá)到大信號(hào)狀態(tài)也無(wú)從得知，因此這里就沒(méi)圖了，不好意思。

當(dāng)R3=15K時(shí)，放大倍數(shù)為2.5倍（負(fù)反饋占優(yōu)勢(shì)），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(guò)3，則輸出波形都將出現(xiàn)削波失真，如果放大倍數(shù)設(shè)置恰好為3，則仿真時(shí)間要等很久才會(huì)有結(jié)果。實(shí)際用器件搭電路時(shí)，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(yīng)用于實(shí)踐，我們有必要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，如下圖所示：

我們的修改思路是這樣：當(dāng)電路開(kāi)始振蕩時(shí)保證放大倍數(shù)大于3，這樣可以使得電路容易起振，而當(dāng)電路的振蕩幅度增大到某個(gè)程度時(shí)，將其放大倍數(shù)自動(dòng)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(dāng)振蕩信號(hào)比較小時(shí)，二極管沒(méi)有導(dǎo)通，因此R5、D1、D2支路相當(dāng)于沒(méi)有，因此放大倍數(shù)大于3，而當(dāng)振蕩信號(hào)比較大時(shí)，二極管導(dǎo)通，相當(dāng)于R5與R4并聯(lián)，這樣放大倍數(shù)就會(huì)小一些（合理設(shè)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(jìn)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(shí)的輸出波形不再有失真。

實(shí)際應(yīng)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?cè)黾恿?a target="_blank">電阻R6與電容C3，電阻R6的值通常與R1相同，這樣兩者對(duì)直流正電源VCC分壓，則有A點(diǎn)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(fù)反饋，此時(shí)相當(dāng)于一個(gè)電壓跟隨器，因此輸出靜態(tài)時(shí)輸出電壓為VCC/2，此時(shí)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(jìn)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(diǎn)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(guān)系，我們可以用下圖所示電路來(lái)擺脫這個(gè)問(wèn)題：

N溝道JFET的閥值電壓VTH為負(fù)壓，當(dāng)VGS=0時(shí)（即電路剛上電時(shí)），源-漏導(dǎo)通而將R5短接到地，R5與R3并聯(lián)再與R4組成負(fù)反饋，此時(shí)電路的放大倍數(shù)約為3.3（大于3），電路開(kāi)始起振，振蕩的幅度也會(huì)越來(lái)越大；當(dāng)輸出負(fù)壓足以使VGS

下圖也是一種穩(wěn)幅電路，如下圖所示，讀者可自行分析：

編輯：hfy