可以把同相比例運(yùn)算電路接在RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)后,形成RC橋式正弦波振蕩電路。運(yùn)放電路要求輸入與輸出相位相同。
此電路也稱為文氏橋振蕩電路。所謂橋式電路,是一種電路類型,是在兩個(gè)并聯(lián)支路當(dāng)中各支路的中間節(jié)點(diǎn)(通常是兩元器件之間連線的一點(diǎn))插入一個(gè)支路,來將兩個(gè)并聯(lián)支路橋接起來的電路。

觀察電路,同相比例運(yùn)算電路中的R1,Rf,與選頻網(wǎng)絡(luò)中的串聯(lián)RC,并聯(lián)RC,都是一個(gè)橋臂,組成了這個(gè)RC橋式正弦波振蕩電路。已知同相比例運(yùn)算電路的輸出與輸入電壓關(guān)系如下:

在放大倍數(shù)為3倍的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)幅值平衡。即

在此電路中,RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)需要把自身的輸出,作為輸入,用來維持振蕩,這是正反饋;但是RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的輸出只有輸入的1/3,需要借助放大電路,實(shí)現(xiàn)3倍放大,放大電路要控制放大倍數(shù),就需要引入負(fù)反饋。故此電路同時(shí)存在正反饋與負(fù)反饋,它以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò),以包含負(fù)反饋的同相比例運(yùn)算電路為放大環(huán)節(jié)。
在真實(shí)的電路設(shè)計(jì)中,需要考慮放大倍數(shù)的問題:如果放大倍數(shù)略小于3倍,那么反饋給選頻網(wǎng)絡(luò)的電壓,不足以維持RC振蕩,導(dǎo)致振蕩幅度越變?cè)叫?如果放大倍數(shù)略大于3倍,那么反饋給選頻網(wǎng)絡(luò)的電壓,超過了它所需要的電壓,流入放大電路的電壓當(dāng)然也超過了預(yù)期,這會(huì)導(dǎo)致放大電路達(dá)到極限的幅值,波形削頂或者削底;如果放大倍數(shù)正好是3倍,且不說考慮到器件的精確度,這是多么難的一件事情,正好是3倍的話,振蕩電路不容易起振,因?yàn)槠鹫窨康木褪歉鞣N擾動(dòng),如上電合閘一瞬間的脈沖。這個(gè)問題似乎是無解的。
一種解決思路是,在電路中加入“非線性”環(huán)節(jié)。例如在反饋回路中加入兩個(gè)并聯(lián)的二極管。如果輸出電壓因?yàn)槟撤N原因變大,那么流過二極管的電流變大,但是根據(jù)二極管的伏安特性曲線可以知道,此二極管的“動(dòng)態(tài)電阻”減小,導(dǎo)致放大倍數(shù)減小,最終使輸出電壓穩(wěn)定。這個(gè)過程類似于負(fù)反饋調(diào)節(jié)。
但這種做法是有弊端的,輸出波形可能輕微失真。只要引入非線性環(huán)節(jié),這種失真就不可避免,不管是用二極管,還是熱敏電阻作為非線性環(huán)節(jié)都不行。如果使用Mos管,失真的情況可能會(huì)改善,但是電路設(shè)計(jì)會(huì)變得復(fù)雜很多。在電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域,有一利必有一弊。
如果想輸出0V左右的交流信號(hào),需要引入正負(fù)電源,為了簡化設(shè)計(jì),我們把正弦波的平均值設(shè)定為2.5V左右,并用TL431電路提供2.5V電壓。
為了便于精確調(diào)整放大倍數(shù),觀察放大現(xiàn)象,把反饋電阻設(shè)置為可調(diào)電位器。由此得到RC正弦波信號(hào)源電路設(shè)計(jì):

下圖是加入非線性環(huán)節(jié)時(shí),運(yùn)放的同相輸入端與輸出端的波形對(duì)比。可以看出運(yùn)放確實(shí)把波形放大了3倍,但是輸出波形的“腰部”略有失真。

去掉非線性環(huán)節(jié)時(shí),需要是放大倍數(shù)略大于3倍,可以看出輸出波形的頂部與底部都被削平了。實(shí)際上這個(gè)輸出的狀態(tài)并不穩(wěn)定,甚至輕輕敲一敲電路板,都會(huì)導(dǎo)致輸出波形有變化。

此設(shè)計(jì)中輸出電壓由運(yùn)放的工作電壓決定,輸出頻率由選頻網(wǎng)絡(luò)電阻與電容的值決定。有些設(shè)計(jì)會(huì)把電阻與電容設(shè)為可調(diào)的,以實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)。若追求更好的正弦波質(zhì)量,或者更高頻的振蕩頻率時(shí),可以選用LC振蕩電路,或者石英晶體振蕩電路。
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