使用运算放大器的文氏电桥振荡器

由于具有良好的频率稳定性、极低的失真和易于调谐等优点，文氏电桥振荡器（Wein Bridge Oscillator）成为当前流行的音频范围信号发生器电路。这种类型的振荡器使用RC反馈网络，因此它也可以被视为RC振荡器。

普通振荡器与文氏电桥振荡器的主要区别在于，在振荡器中，放大级引入了180度相移，并通过反馈网络引入了额外的180度相移，从而在环路周围获得360度或零相移，这个满足巴克豪森准则。

但是，在文氏电桥振荡器的电路中，放大器级中使用的非反相放大器不会引入任何相移。因此，为了满足巴克豪森标准，不需要通过反馈网络进行相移。下面将进行详细的解释说明。

维恩桥振荡器

文氏电桥振荡器产生正弦波，它使用RC网络作为电路的频率确定部分。带有放大级的文氏电桥振荡器的基本电路如下图所示：、

放大器的输出施加在端子1和3之间，而放大器的输入从端子2和4提供，因此放大器输出成为电桥的输入电压，而电桥的输出成为放大器的输入电压。当电桥平衡时，放大器的输入电压变为零，因此为了产生持续的振荡，放大器的输入必须不消失。因此，通过调整电阻器的适当值来使电桥不平衡。

正如上面所说，RC网络负责确定振荡器的频率。该RC网络由两个频率敏感臂组成，即串联R1、C1和并联R2、C2，该网络也称为超前滞后电路。

在滞后电路中，电容器两端的输出电压落后于输入电压的角度介于0到–90度之间。在超前电路中，电阻两端的输出电压超前输入电压的角度为0到90度。

在非常低的频率下，输出电压变为零，因为串联电容器表现为开路，并且在非常高的频率下也没有输出，因为并联电容器充当输入电压的短路路径。因此在这两种极端条件之间，输出电压达到最大值。

谐振频率是输出电压最大的频率。在这个频率下，反馈分数K达到最大值的1/3。当Xc=R时反馈最大，因此谐振频率由下式给出：

f = 1 / 2πRC

 

另外，上图表示谐振频率下的输出电压。在谐振频率下，通过电路的相移为零，衰减V1/V0为1/3。因此，为了保持振荡，放大器必须具有大于3的增益。

通过将两个电容器安装在轴上并同时改变它们的值，文氏电桥振荡器可以提供不同的频率范围。

使用运算放大器的文氏电桥振荡器

下图显示了一种广泛使用的文氏电桥振荡器。运算放大器用于非反相配置，反馈形成分压器网络。电阻R1和Rf形成反馈路径的一部分，它决定或有助于调整放大器增益。

运算放大器的输出在a和c点作为输入连接到电桥，而在b和d点的电桥输出连接到运算放大器的输入。

放大器输出的一部分通过分压器网络（电阻和电容的串联组合）反馈到放大器的正端或非反相端。此外，放大器的第二部分通过大小为2R的阻抗反馈到放大器的反相或负端子。

如果反馈网络元件选择得当，输入到放大器的信号的相移在某个频率处为零。由于放大器是非反相的，它引入了零相移加上反馈网络零相移，因此总相移在环路周围变为零，因此需要振荡条件。

因此，文氏电桥用作正弦波发生器，其振荡频率由R和C分量决定。

运算放大器的增益表示为：A = 1 + (Rf / R1)。

正如上面所介绍的，同相放大器的增益必须至少为3才能满足巴克豪森标准。因此，1 + (Rf / R1) ≥ 3  =>  (Rf / R1) ≥ 2。

所以，电阻Rf与R1的比率必须等于或大于2。振荡频率由该式给出：f = 1 / 2πRC。

使用晶体管的文氏电桥振荡器

下图显示了使用两级共发射极晶体管放大器的晶体管化文氏电桥振荡器。每个放大器级引入了180度的相移，因此引入了总的360度相移，这不过是零相移条件。

反馈桥由RC串联元件、RC并联元件、R3和R4电阻组成。桥式电路的输入通过耦合电容器从晶体管T2的集电极施加。

当将直流电源施加到电路时，由于电荷载流子通过晶体管和其他电路组件的移动，在晶体管T1的基极处会产生噪声信号。该电压通过增益A放大，并产生与输入电压相差180度的输出电压。该输出电压作为输入施加到T2基极端的第二个晶体管。该电压乘以T2的增益。

晶体管T2的放大输出与T1的输出相位相差180度。此输出通过耦合电容器C反馈到晶体管T1。因此，当满足巴克豪森条件时，此正反馈会在宽频率范围内产生振荡。

通常情况下，反馈网络中的文氏电桥包含单个所需频率的振荡。电桥在总相移为零的频率处得到平衡。两级晶体管的输出充当反馈网络的输入，反馈网络应用于基极和地之间。

反馈电压Vf = (Vo × R4) / (R3 + R4)

文氏电桥的自动增益控制

文氏电桥的增益必须是自我调节的，以实现反馈振荡器的稳定性，这是自动增益控制 (AGC) 的一种形式。其实可以通过简单地将齐纳二极管与反馈网络中的电阻器R3并联来实现。当输出信号达到齐纳击穿电压时，齐纳二极管导通，进而导致电阻R3短路。

这会将放大器增益降低到3，因此总环路增益1的结果会产生持续的振荡。虽然这种自动增益控制方法很简单，但它会受到齐纳二极管的非线性影响，因此正弦波会失真。

控制增益的另一种方法是使用JFET作为负反馈路径中的压控电阻。与齐纳二极管方法相比，这种增益控制方法产生稳定的正弦波形。JFET在具有小或零Vos的欧姆区域中工作。

因此，漏源电阻随着栅极电压的增加而增加。当JFET置于负反馈回路中时，通过该电压控制电阻实现自动增益控制。

上图说明了JFET稳定维恩桥振荡器的自动增益控制。在该电路中，放大器增益由组件Rf、R3和Q1控制，取决于栅极电压，漏源电阻是变化的。该电阻在栅极零伏时最小。此时，环路增益将大于1。

随着输出电压迅速增加，负输出信号正向偏置二极管，因此电容器充电至负电压。该充电电压会增加漏极和源极之间JFET的电阻，从而进一步降低放大器增益

所以，通过选择适当的反馈分量值，可以将环路增益稳定在所需水平。

主要优缺点

文氏电桥振荡器的主要优点包括以下几方面内容：

由于使用了二级放大器，该振荡器的整体增益很高。

通过改变C1和C2的值或使用可变电阻器，可以改变振荡频率。

它产生非常好的正弦波，失真较小。

频率稳定性好。

由于没有电感器，因此不会受到外部磁场的干扰。

文氏电桥振荡器的主要缺点包括以下几方面内容：

两级放大器类型的维恩桥振荡器需要更多数量的元件。

不能产生非常高的频率。

总结

简单来说，文氏电桥就是利用RC串并联实现的振荡电路，主要由两部分组成，即选频网络和放大电路。文氏电桥振荡器的优点是，不仅振荡较稳定，波形良好，而且振荡频率在较宽的范围内能方便地连续调节。