運算放大器維也納橋正弦波振蕩器電路設(shè)計方案

使用運算放大器產(chǎn)生正弦波的常用方法之一是使用Wien電橋配置。電子電路設(shè)計非常簡單，并提供了良好的整體性能。

顧名思義，運算放大器維也納電橋振蕩器或發(fā)生器基于維也納電橋網(wǎng)絡(luò)。這是 Max Wien 于 1891 年開發(fā)的一種橋式電路，它由四個電阻器和兩個電容器組成。

Wien橋式振蕩器已經(jīng)存在了很多年，它作為音頻振蕩器在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，要么使用分立電子元件，要么使用運算放大器。

由于運算放大器是易于使用的電子元件，可提供近乎完美的操作，因此它們被廣泛用于此類電路中。

基本的維也納橋電路如下所示，從中可以看出。

基本維也納橋的電路

基本橋式電路用于許多應(yīng)用，包括測量電容器的值，其中可變電阻器和已知電容器可用于確定電容器的值，通常為C1。

首先，讓我們從定性的角度看一下電路。這有助于解釋電路的實際操作，并了解其工作原理。

維也納橋RC網(wǎng)絡(luò)

從圖中可以看出，該電路可以一分為二：維恩橋的一個串聯(lián)元件，即串聯(lián)電阻和電容器組成一個高通濾波器;和并聯(lián)電容電阻元件形成從線路到地的低通濾波器。

換句話說，有一個串聯(lián)的高通濾波器和一個并聯(lián)的低通濾波器。總體效果是，兩者的組合形成了一個選擇性的二階帶通濾波器，該濾波器具有相當高的Q因數(shù)，諧振頻率為f0.

簡單地看網(wǎng)絡(luò)，在零頻率下，由電子元件 R1 和 C1 組成的串聯(lián)低通濾波器將具有無限阻抗，因為直流無法通過電容器。

同樣，在非常高的頻率下，并聯(lián)電路效應(yīng)主要由電容器幾乎為零的阻抗決定 - 它實際上使輸出短路。

在這些頻率之間有一個點，輸出達到最大值 - 它的“諧振頻率”，F(xiàn)0.

在這個諧振頻率下，整個電路的電抗等于它的電阻，即：Xc=R，輸入和輸出之間的相位差為零。在此最大品脫時，輸出電壓的大小等于輸入電壓的三分之一。

還發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中的相移隨頻率而變化，在諧振頻率 f 處穿過軸0.

維也納橋RC網(wǎng)絡(luò)的電壓和相位響應(yīng)

從電子電路設(shè)計的數(shù)學(xué)角度來看電路。維恩電橋特別靈活，不需要相等的電子元件R或C值。在某個頻率下，串聯(lián) R2-C2 臂的電抗將是 R1-C1 臂的精確倍數(shù)。如果將兩個 R3 和 R4 臂調(diào)整到相同的比率，則電橋?qū)⑵胶狻?/p>

在確定平衡頻率方面，可以使用一些簡單的方程式。

如果 R1 = R2 且 C1 = C1，則電子電路設(shè)計方程簡化;結(jié)果是 R4 = 2 R3。

在實踐中，電子元件 R1 / R2 和 C1 / C2 的值永遠不會完全相等，但上面的等式表明，對于這些臂中的固定值，電橋?qū)⒃?R4/R3 的某個 ω 和某個比率下保持平衡。

通過進行這些假設(shè)和簡化，電子電路設(shè)計變得非常容易。

運算放大器維也納電橋振蕩器

對于正弦波振蕩器的電子電路設(shè)計，電橋可以在反饋環(huán)路內(nèi)使用，電路在平衡點（即網(wǎng)絡(luò)的“諧振點”）振蕩。此外，運算放大器的輸入阻抗水平非常高，輸出阻抗水平非常低，這意味著橋元件上的負載最小，這簡化了電子電路設(shè)計。

Wien橋振蕩器可以看作是一個正增益放大器，與一個帶通濾波器相結(jié)合，通過該濾波器施加正反饋。當使用正反饋時，必須能夠限制增益以避免過度失真水平。這是通過使用自動增益控制、有意非線性和偶然非線性限制輸出幅度等多種方式實現(xiàn)的，它們可以以不同的方式用于不同的電路。

基本的Wien電橋振蕩器或發(fā)生器電路如下所示，其中包含纏繞在運算放大器本身周圍的電橋電路元件。在電路中可以看到提供正反饋的正增益放大器和帶通濾波器。

運算放大器Wien橋振蕩器的電路

包含電容器的電橋元件與同相輸入相關(guān)聯(lián)，純電阻元件與反相輸入相關(guān)聯(lián)。要使電路振蕩，對電路的分析顯示必須有180°的相移，這要求C1 = C2，R1 = R2。此外，Rf 通常設(shè)置為 2 Rg。振蕩頻率可以通過以下簡單公式確定：

這種形式的維也納電橋振蕩器/發(fā)生器電路的問題之一是產(chǎn)生的失真水平。如果Rf的值增加（增加電路的增益），則發(fā)現(xiàn)失真水平也會隨著運算放大器達到飽和而增加。

在許多情況下，克服這個問題的一種簡單方法是用小型白熾燈或熱敏電阻代替電阻Rg。電阻比 Rf 設(shè)置為保持在 2Rg 左右。這個想法之所以有效，是因為當振蕩器首次通電時，燈很冷，電阻很小。流過它的電流較大，燈或熱敏電阻發(fā)熱，從而增加其電阻，進而導(dǎo)致增益下降和電流下降。一段時間后，達到一個平衡點，振蕩器將自我調(diào)節(jié)增益，從而調(diào)節(jié)失真水平。

用于維也納橋式振蕩器的二極管限幅器

限制振蕩器振幅擺幅從而減少失真的另一種方法是在振蕩器反饋環(huán)路中使用一對背靠背二極管。二極管可以放置在電阻 R 的一部分上f.隨著振幅的增加，因此電阻有效減小，振幅減小。

帶限幅二極管的運算放大器維也納橋振蕩器電路

該電路能夠提供比電路更低的失真水平，而沒有任何幅度限制。

Wien橋振蕩器在許多應(yīng)用中用于提供正弦波信號。盡管失真水平可能高于其他形式的音頻振蕩器，但它仍然提供了一種非常方便和可靠的音頻正弦波振蕩器形式。

審核編輯：黃飛