文氏电桥振荡电路原理详解及Multisim仿真

Author: Jackie Long 1 Allrightsreserved,NOSpreadingwithoutAuthorization 文氏电桥振荡电路详解  文氏电桥振荡电路（Wien bridge oscillator circuit），简称“文氏电桥”，是一种适于产生正弦波信号的振荡电路之一，此电路振荡稳定且输出波形良好，在较宽的频率范围内也能够容易调节，因此应用场合较为广泛。 如下图所示为基本文氏电桥振荡电路：   其中，R1、R2、C1、C2组成的RC串并网络将输出正反馈至同相输入端，R3、R4则将输出负反馈至运放的反相输入端，电路的行为取决于正负反馈那一边占优势（为便于分析，通常都假设R1=R2=R且C1=C2=C，当然这并不是必须的）。 可以将该电路看作对A点输入（即同相端电压）的同相放大器，因此该电路的放大倍数如下： 1 可以证明，当放大倍数小于3时（即R4/R3=2），负反馈支路占优势，电路不起振；当放大倍数大于3时，正反馈支路占优势，电路开始起振并不是稳定的，振荡会不断增大，最终将导致运放饱和，输出的波形是削波失真的正弦波。 只有当放大倍数恰好为3时，正负反馈处于平衡，振荡电路会持续稳定的工作，此时输出波形的频率公式如下所示： 12πRRCC12 也可以这样理解：电路刚上电时会包含频率丰富的扰动成分，这些扰动频率都将会被放大3倍，随后再缩小3倍，依此循环，只有扰动成分的频率等于f0时，电路将一直不停地振荡而导（也元件倍数荡下去，也就导致运放饱和但是这个电也就是放大倍件不可能十分数小于3）或 我们用下图 当R4=当R4=30K时2 就是说，频率和而失真，相电路的实际应倍数必须为3分精确，就算失真（放大倍图所示的电路100K时，放时，放大倍数C110n210Au 率为f0的成分当于此时形应用几乎没有3），只要有一可以做到，受倍数大于3）路参数进行仿放大倍数为11数为4，输出R247kΩFR310kΩuthor: Jackie Lo All分既不会因衰成了一个平衡，因为它对器一点点的偏差受到温度、老的情况。真： 1，输出波形出波形如下图321R430kΩ4ong rightsreserved,衰减而最终消衡电桥。 器件的要求非差，电路就不老化等因素，形如下图： 图： U1ALM484C20nF3VCC12.VCCVE-12.0VVEENOSpreading消失，也不会非常高，即R不可能稳定地电路也可会AM358D1R147kΩ0VE1withoutAuthor会因一直不停R4/R3必须等地振荡下去，会出现停振（ ization 停放大等于2因为放大 当R3=21K时当R3=20.1K 3 时，放大倍数K时，放大倍Au 数为3.1倍，倍数为3.01倍uthor: Jackie Lo All输出波形如倍，输出波形ong rightsreserved,如下图所示：形如下图所示NOSpreading 示： withoutAuthorization   部分信号注意纵轴单分），但由于放 当R3=20K时注意纵轴单号状态也无从 当R3=15K时4 单位为mV（放大倍数太小时，放大倍数单位为pV（皮从得知，因此时，放大倍数Au 毫伏），此时小，因此达到数为3倍，输皮伏），放大倍此这里就没图数为2.5倍（uthor: Jackie Lo All时电路起振后到大信号电平输出波形如下倍数太小，一了，不好意思（负反馈占优ong rightsreserved,后不断地放大平需要更长的下图所示：一直都处在小思。 优势），如下图NOSpreading大导致幅度增的时间。 小信号状态，图所示： withoutAuthor增加（此图只什么时候达ization  是一 达到大  波形际用易起能限支路与R把局部放大可以看到，形都将出现削用器件搭电路 为了让电路 R我们的修改起振，而当电限制振荡的最这里增加了路相当于没有R4并联，这样 我们用下图5 大后如下图所电路的放大削波失真，如路时，要做到路更容易应用R1改思路是这样电路的振荡幅最大幅度，从了R5、D1、D有，因此放大样放大倍数就图所示的电路Au 所示，注意纵轴倍数越大，则果放大倍数设到放大倍数为于实践，我们R3C1样：当电路开始度增大到某个从而避免振荡波D2，当振荡信大倍数大于3，就会小一些路参数进行仿uthor: Jackie Lo All轴单位 则电路越容易设置恰好为3.00000XXX们有必要对其C2+‐R5始振荡时保证个程度时，将波形出现削波信号比较小时，而当振荡信（合理设置R真： ong rightsreserved,易起振，但只3，则仿真时X可真不是件其进行优化，+OPR4R2证放大倍数大将其放大倍数波失真。 时，二极管没信号比较大时R5的阻值，可NOSpreading只要放大倍数时间要等很久件容易的事. 如下图所示uD1D2大于3，这样数自动切换为没有导通，因时，二极管导可以使其放大withoutAuthor数超过3，则久才会有结果示： uo 样可以使得电为小于3，这因此R5、D1、导通，相当于大倍数小于3ization  输出果。实路容这样就D2于R53）。  其输出波形下图为局部6 形如下图所示部放大的波形C100Au 示： 形图，可以看R247kΩ10nF2R310kΩ4uthor: Jackie Lo All到，此时的输32C10-R430kΩR547kΩ4ong rightsreserved,输出波形不再U1ALM358481R147kΩC2nF3VCC12.0VVCCVEE12.0VVEEDD25NOSpreading再有失真。 8DΩ121withoutAuthor ization   样两交流流全直流实际应用中VCC 在单电源供两者对直流正流”特性，更全负反馈，此流通路等效如7 中，我们也可R1CR6供电系统中，正电源VCC分更多精彩文章此时相当于一如下图所示：Au 可能需要单电源C1R3C3我们增加了电分压，则有A可关注《电子个电压跟随器 uthor: Jackie Lo All源供电的振荡3A电阻R6与电点的电位为子制作站》微器，因此输出ong rightsreserved,荡电路，如下C2+‐OPR4RR5电容C3，电阻（VCC/2），再微信订阅号d出静态时输出NOSpreading下图所示： 4R2D1D2阻R6的值通常再利用电容Cdzzzzcn，使出电压为VCCwithoutAuthoruo 常与R1相同C3的“隔直R4（R5）引C/2，此时电ization  同，这直流通入直路的Author: Jackie Long 8 Allrightsreserved,NOSpreadingwithoutAuthorization   我们用下图所示的电路参数进行仿真：   其输出波形如下图所示： U1ALM358D32481R147kΩR2100kΩC110nFC210nF4VCC12.0VVCCR4100kΩR310kΩ0R5100kΩVCC12.0VVCCC310nF501R624kΩD1D2263以用可以看到， 也有如下图  从原理上很用下图所示电9 输出正弦波图所示相似的很容易看出，电路来摆脱这C10Au 波是以6V（即电路，读者电路输出波形这个问题： R247kΩC110nF2R310kΩuthor: Jackie Lo All即12V的一半可自行仿真，形的幅度与二32ΩC10R418kΩ4ong rightsreserved,半）作为中点，原理是一致二极管的正向U1ALM35481R47kC20nF3VCC12.0VVCCVEE-12.0VVEE276NOSpreading点的。 致的。  向压降有很大58D1kΩVD2D1R57kΩ1withoutAuthor大的关系，我ization  我们可Author: Jackie Long 10 Allrightsreserved,NOSpreadingwithoutAuthorization  N沟道JFET的阀值电压VTH为负压，当VGS=0时（即电路刚上电时），源‐漏导通而将R5短接到地，R5与R3并联再与R4组成负反馈，此时电路的放大倍数约为3.3（大于3），电路开始起振，振荡的幅度也会越来越大；当输出负压足以使VGSVTH时，JFET截止，此时电路的放大倍数约为2.9（小于3），此电路的输出幅值约为JFET的阀值电压（负压）加一个二极管压降，即VTH+VD，其输出波形如下图所示：  U1ALM358D32481R147kΩR247kΩC110nFC210nF41VCC12.0VVCCVEE-12.0VVEER419kΩR310kΩ0R547kΩ2C32µFR61MΩD1Q16073 1 下图也是一  R10C110nF011 一种稳幅电路R247kΩR3kΩ2Au 路，如下图所示3248C210nFVCCV-12.0VV4uthor: Jackie Lo All示，读者可  U1ALM358D1R147kΩ3C12.0VVCCVEEVVEER430kΩD1D2ong rightsreserved,自行分析：NOSpreadingR520R64.7R74.7R820-12.0VVEVCCVC675withoutAuthor 50kΩ67kΩ77kΩ80kΩVEEEE12.0VCCization