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一篇详细讲解文氏电桥振荡电路的文章

2023-09-30 23:43

文氏桥振荡或电路，简称“文氏电桥”，是适合产生正弦波信号的振荡电路之一。该电路振荡稳定，输出波形好，并且可以在较宽的频率范围内方便地调节，因此具有广泛的应用范围。

基本文氏桥振荡电路如下图所示：

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将输出负反馈至反相输入端。运算放大器的输入端。电路的行为取决于正反馈和负反馈哪一方占主导地位（为了分析方便，通常假设R1=R2=R和C1=C2=C，当然这不是必须的）。

该电路可以看作是一个同相放大器，对于A点输入（即同相端电压），因此该电路的放大倍数为：

可以证明，当放大倍数小于3时（即R4/R3=2），负反馈支路占主导地位，电路不会振荡；当放大倍数大于3时，正反馈支路占主导地位，电路开始振荡。稳定后，振荡将继续增加，最终导致运放饱和，输出波形将是削波且失真的正弦波。

只有当放大倍数恰好为3时，正负反馈处于平衡状态，振荡电路才会继续稳定工作。此时，输出波形的频率公式如下：

也可以这样理解：电路刚上电时，会含有频率丰富的扰动成分。这些干扰频率将被放大，然后被降低。在这个周期中，只有当扰动成分的频率等于f0时，放大倍数为3。减小倍数也为3，电路将继续振荡。也就是说，频率为f0的分量既不会因衰减而最终消失，也不会因连续放大而导致运放饱和而失真。，此时就相当于形成了一个平衡电桥。

但该电路几乎没有实际应用，因为它对器件的要求非常高，即R4/R3必须等于2（即放大倍数必须为3）。只要有一点偏差，电路就无法稳定振荡。，因为组件不可能非常精确。即使可以实现，电路也可能由于温度和老化等因素而停止振荡（放大系数小于3）或失真（放大系数大于3）。

我们使用下图所示的电路参数进行仿真：

当R4=100K时，放大倍数为11，输出波形如下图：

当R4=30K时，放大倍数为4，输出波形如下图：

当R3=21K时，放大倍数为3.1倍，输出波形如下图：

当R3=20.1K时，放大倍数为3.01倍，输出波形如下图：

注意，纵轴的单位是mV（毫伏）。此时电路开始振荡后，不断放大，导致幅度增大（此图只是一部分）。然而，由于放大倍数太小，需要更长的时间才能达到大信号电平。

当R3=20K时，放大倍数为3倍，输出波形如下图：

注意，纵轴的单位是pV（皮伏）。放大倍数太小，始终处于小信号状态。无法知道什么时候会达到大信号状态，所以这里没有图片，抱歉。

当R3=15K时，放大倍数为2.5倍（负反馈占主导），如下图：

如下图部分放大后，注意垂直轴单位

可见，电路的放大倍数越大，电路越容易振荡，但只要放大倍数超过3，输出波形就会出现削波失真。如果放大系数正好设置为3，则仿真时间会很长。就会有结果。实际用器件搭建电路时，要达到3.00000XXXX的放大倍数并不容易。

为了让电路更容易在实际中应用，我们有必要对其进行优化，如下图：

我们的修改思路是：当电路开始振荡时，保证放大倍数大于3，这样可以使电路容易振荡。当电路的振荡幅度增大到一定程度时，放大倍数自动切换到小于3。这样就限制了振荡的最大幅度，从而避免了振荡波形的削波失真。

此处添加 R5、D1 和 D2。当振荡信号比较小时，二极管不导通，所以R5、D1、D2支路相当于无，所以放大倍数大于3，而当振荡信号比较小时大时，二极管导通，相当于R5和R4并联，因此放大倍数会更小（合理设置R5的阻值可以使放大倍数小于3）。

我们使用下图所示的电路参数进行仿真：

其输出波形如下图所示：

下图是部分放大的波形图。可以看到此时的输出波形不再失真。

在实际应用中，我们可能还需要单电源供电的振荡电路，如下图：

在单个电源电源系统中，我们添加电阻器R6和电容器C3。电阻R6的阻值通常与R1相同，以便将两者连接到直流电源正极。当VCC分压时，A点电位为(VCC/2)。然后利用电容C3的“隔直交流”特性，将直流全负反馈引入R4（R5）。此时就相当于一个电压跟随器。因此，当输出静态时，输出电压为VCC/2。此时电路的等效直流路径如下所示：