文氏電橋振蕩電路原理詳解及Multisim仿真

1、author: jackie long文氏電橋振蕩電路詳解文氏電橋振蕩電路（wien bridge oscillator circuit）,簡(jiǎn)稱“文氏電橋",是一種適于產(chǎn)生 止弦波信號(hào)的振蕩電路z,此電路振蕩穩(wěn)定且輸出波形良好，任較寬的頻率范圍內(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：1all limits ieserved. no spreading without authoxizatianauthor: jackie long其中，rix r2、cl、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 輸岀負(fù)反饋至運(yùn)放的反相輸入端，

2、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）?？梢詫⒃撾娐房醋鲗?duì)a點(diǎn)輸入（即同相端電壓）的同相放人器，因此該電路的放人倍 數(shù)如下：r4+馬可以證明，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：fo =12nrc#all limits ieserved. no spr

3、eading without authoxizatianauthor: jackie long#all limits ieserved. no spreading without authoxizatianauthor: jackie long也可以這樣理解：電路剛上電旳會(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 人3倍，隨后再縮小3倍，依此循壞，只有擾動(dòng)成分的頻率等于f。時(shí)，電路將一直不停地#all limits ieserved. no spreading without authoxizatianauthor: jackie long振蕩卜去，也就是說，頻率為f。的成分既不會(huì)因衰減

4、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)用幾乎沒冇，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)?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(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。我們用卜圖所示的電路參數(shù)進(jìn)行仿貞:當(dāng)r4j00k時(shí)，放人倍數(shù)為輸出波形如下圖:當(dāng)r4=30k時(shí),放大倍數(shù)為4,輸出波形如下圖:#all limits reserved. no spieading without authon

5、zationauthor: jackie long3all limits reserved. no speadmg without authonzationauthor: jackie long7q-ise10m20mxm40m50mtime 50o o o5 0-5 >)966; 0> <|?«6當(dāng)r3=21k時(shí)，放大倍數(shù)為3.1倍，輸出波形如卜圖所示:280m290m300m310m320m330m340m350m360mtimo -860m820m780m740m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:#all limits reser

6、ved. no speadmg without authonzationauthor: jackie long5all limits reserved. no spieading without authonzationauthor: jackie long14isis19tinw (s)u#all limits reserved. no spieading without authonzationauthor: jackie long注總縱軸單位為mv （毫伏），此時(shí)電路起振后不斷地放大導(dǎo)致幅度增加（此圖只足一 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)，

7、放人倍數(shù)為3倍，輸出波形如下圖所示：#all limits reserved. no spieading without authonzationauthor: jackie long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)也無從得知，因此這里就沒圖了，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：qommlntbnafvj可以看到，電路的放大倍數(shù)越大，則電路越容易起振，但只要放人倍數(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(shè)琶恰好為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

8、3.00000xxxx可真不是件容易的半.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:c2 r?我們的修改思路足這樣：當(dāng)電路開始振蕩時(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、d2、d2,當(dāng)振蕩信號(hào)比較小時(shí)，二極管沒有導(dǎo)通，因此r5、dk d2 支路相當(dāng)于沒有，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）。我們用卜圖所示的電路

9、參數(shù)進(jìn)行仿真：7all limits reserved. no spieading without authonzationauthor: jackie long其輸出波形如卜圖所示:h#all limits reserved. no sheading without authonzationauthor: jackie longmfoav eecsvcn100mwirillii illilll iiiii iii illi rll llllllllllnll#all limits reserved. no sheading without authonzationauthor: jackie

10、 long#all limits reserved. no sheading without authonzationauthor: jackie long下圖為局部放大的波形圖，可以看到，此時(shí)的輸出波形不再冇失真。#all limits reserved. no sheading without authonzationauthor: jackie long在單電源供電系統(tǒng)中,我們?cè)黾恿穗娮鑢6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，更多精彩文章可關(guān)注電子制作站微信訂閱號(hào)dzzzzcn,

11、使r4 (r5)引入直 流全負(fù)反饋，此時(shí)柑當(dāng)于一個(gè)電壓跟隨器，因此輸岀靜態(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：r4我們用卜圖所示的電路參數(shù)進(jìn)行仿真:其輸出波形如下圖所示73100o9q15h>30m25m20m imo (s)10m可以看到，輸出正弦波是以6v （bp 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人的關(guān)系，我們可 以用下圖所示電路來擺脫這個(gè)問題：11all limits reserved. no spieading without authonzat

12、ionauthor: jackie longc2卄10nfr1aa/v47kqvcc12.0v vccr3aaar10kq00c r5wvq1 47kqvee-12. ov2只4wv19kqn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 路開始起振,振蕩的幅度也會(huì)越來越大；當(dāng)輸出負(fù)壓足以使vgs<vth時(shí)，jfet截止，此時(shí)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(fù)壓）加一個(gè)二 極管壓降，即vth+vd，其輸出波形如下圖所示：#all limits reserved. no sheading witliout atrthoxizatianauthor: jackie long13all limits reserved no spleading without authonzationauthor: