今天小编要和大家分享的是电源设计应用相关信息,接下来我将从解读文氏电桥振荡电路设计,无电压跟随器时 负载上得到的电压 rl vo = vs rs rl 1 = vs ≈ 0这几个方面来介绍。

电源设计应用相关技术文章解读文氏电桥振荡电路设计无电压跟随器时 负载上得到的电压 rl vo =  vs rs   rl 1 =  vs ≈ 0

电源设计应用相关技术文章解读文氏电桥振荡电路设计

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:

解读文氏电桥振荡电路设计

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:

解读文氏电桥振荡电路设计

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:

解读文氏电桥振荡电路设计

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,随后再缩小,依此循环,只有扰动成分的频率等于f0时,放大的倍数为3,而缩小的倍数也为3,电路将一直不停地振荡下去,也就是说,频率为f0的成分既不会因衰减而最终消失,也不会因一直不停放大而导致运放饱和而失真,相当于此时形成了一个平衡电桥。

但是这个电路的实际应用几乎没有,因为它对器件的要求非常高,即R4/R3必须等于2(也就是放大倍数必须为3),只要有一点点的偏差,电路就不可能稳定地振荡下去,因为元件不可能十分精确,就算可以做到,受到温度、老化等因素,电路也可会出现停振(放大倍数小于3)或失真(放大倍数大于3)的情况。

我们用下图所示的电路参数进行仿真:

解读文氏电桥振荡电路设计

当R4=100K时,放大倍数为11,输出波形如下图:

解读文氏电桥振荡电路设计

当R4=30K时,放大倍数为4,输出波形如下图:

解读文氏电桥振荡电路设计

当R3=21K时,放大倍数为3.1倍,输出波形如下图所示:

解读文氏电桥振荡电路设计

当R3=20.1K时,放大倍数为3.01倍,输出波形如下图所示:

解读文氏电桥振荡电路设计

注意纵轴单位为mV(毫伏),此时电路起振后不断地放大导致幅度增加(此图只是一部分),但由于放大倍数太小,因此达到大信号电平需要更长的时间。

当R3=20K时,放大倍数为3倍,输出波形如下图所示:

解读文氏电桥振荡电路设计

注意纵轴单位为pV(皮伏),放大倍数太小,一直都处在小信号状态,什么时候达到大信号状态也无从得知,因此这里就没图了,不好意思。

当R3=15K时,放大倍数为2.5倍(负反馈占优势),如下图所示:

解读文氏电桥振荡电路设计

把局部放大后如下图所示,注意纵轴单位

解读文氏电桥振荡电路设计

可以看到,电路的放大倍数越大,则电路越容易起振,但只要放大倍数超过3,则输出波形都将出现削波失真,如果放大倍数设置恰好为3,则仿真时间要等很久才会有结果。实际用器件搭电路时,要做到放大倍数为3.00000XXXX可真不是件容易的事。

为了让电路更容易应用于实践,我们有必要对其进行优化,如下图所示:

解读文氏电桥振荡电路设计

我们的修改思路是这样:当电路开始振荡时保证放大倍数大于3,这样可以使得电路容易起振,而当电路的振荡幅度增大到某个程度时,将其放大倍数自动切换为小于3,这样就能限制振荡的最大幅度,从而避免振荡波形出现削波失真。

这里增加了R5、D1、D2,当振荡信号比较小时,二极管没有导通,因此R5、D1、D2支路相当于没有,因此放大倍数大于3,而当振荡信号比较大时,二极管导通,相当于R5与R4并联,这样放大倍数就会小一些(合理设置R5的阻值,可以使其放大倍数小于3)。

我们用下图所示的电路参数进行仿真:

解读文氏电桥振荡电路设计

其输出波形如下图所示:

解读文氏电桥振荡电路设计

下图为局部放大的波形图,可以看到,此时的输出波形不再有失真。

解读文氏电桥振荡电路设计

实际应用中,我们也可能需要单电源供电的振荡电路,如下图所示:

解读文氏电桥振荡电路设计

在单电源供电系统中,我们增加了电阻R6与电容C3,电阻R6的值通常与R1相同,这样两者对直流正电源VCC分压,则有A点的电位为(VCC/2),再利用电容C3的“隔直流通交流”特性,使R4(R5)引入直流全负反馈,此时相当于一个电压跟随器,因此输出静态时输出电压为VCC/2,此时电路的直流通路等效如下图所示:

解读文氏电桥振荡电路设计

我们用下图所示的电路参数进行仿真:

解读文氏电桥振荡电路设计

其输出波形如下图所示:

解读文氏电桥振荡电路设计

可以看到,输出正弦波是以6V(即12V的一半)作为中点的。

也有如下图所示相似的电路,读者可自行仿真,原理是一致的。

解读文氏电桥振荡电路设计

从原理上很容易看出,电路输出波形的幅度与二极管的正向压降有很大的关系,我们可以用下图所示电路来摆脱这个问题:

解读文氏电桥振荡电路设计

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VGS《VTH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:

解读文氏电桥振荡电路设计

下图也是一种稳幅电路,如下图所示,读者可自行分析:

解读文氏电桥振荡电路设计

关于电源设计应用就介绍完了,您有什么想法可以联系小编。

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