RC振荡器-使用运算放大器,BJT

RC振荡器是正弦波振荡器的一种,通过使用线性电子元件产生正弦波输出。调谐后的LC振荡器在较高的频率下工作良好,但在较低的频率下,槽电路或时间电路中的电容和电感将非常大。

因此,RC振荡器更适合低频应用。RC振荡器由放大器和反馈网络组成。这种反馈网络是一个相移网络,由若干电容和电阻组成,它们呈阶梯状排列。这就是为什么这个振荡器也被称为梯型RC移相网络。

RC移相振荡器的基本原理是,在将放大器的一部分输出反馈到输入之前,放大器的输出通过移相网络。产生振荡的必要条件是绕环的总相移必须是360度。

因此,除了放大器引入的180度相移,RC相移网络提供180度相移,因此总相移是360度,也等于零度。

在了解这个振荡器的工作原理之前,让我们先讨论一下反馈网络中使用的RC移相电路。

RC移相网络

下图显示了一个单一的RC网络,其中电阻R和电容C是串联排列的。图中,电路的总阻抗为电阻和感抗的组合,即

Z = R - j Xc

Z = Z∠- Ф欧姆

RC移相网络

考虑有效值施加的电压为Vi伏。那么通过电路的电流为

I = (Vi∠0)/ Z

I = (Vi∠Ф)/ Z

其中Z =√(R2 + Xc2)和

Ф = tan-1(Xc / R)

由以上得到的方程可知,电流与输入电压Vi之间的夹角为Ф。电阻上的电压降与电流相同时电容上的电压降滞后电流90度,这两个电压降的结果如下图所示。

因此,通过调整电容C和电阻R的值,角度Ф被调整到等于60度。

RC移相网络相量图

反馈网络

如上所述,在反馈网络中使用多个RC电路来提供所需的相移。这个网络必须提供总共180度的相移,使整个相移绕环360度。

由于在其传递函数中存在单极,单个RC截面网络提供了最大90度的相移。因此,至少两个RC网络就足以产生所需的180度相移。

然而,在实际的RC相移振荡器中,三个RC相移网络级联,每个部分提供60度相移。

因此,在反馈网络中这三部分得到的总相移为180度(3 × 60)。这个反馈网络如下图所示。

级联RC网络

RC振荡器电路

RC相移振荡器由一个共发射极单级放大器和一个相移反馈网络组成,该网络由三个相同的RC段组成。单级放大器可以用晶体管或运放(运放)作为有源元件。

采用BJT的RC移相振荡器

在这种晶体管振荡器中,晶体管被用作放大器级的有源元件。下图显示了以晶体管为有源元件的RC振荡器电路。晶体管有源区直流工作点由电阻R1、R2、RC、RE和电源电压Vcc确定。

电容CE是一个旁路电容。取三个RC段相同,最后一段电阻为R ' = R - hie。晶体管的输入电阻hie加上R ',因此电路给出的净电阻为R。

偏置电阻R1和R2较大,因此对电路的交流操作没有影响。此外,由于RE - CE组合提供的阻抗可以忽略不计,它对交流操作也没有影响。

采用BJT的RC移相振荡器

当功率被给予电路时,噪声电压(由电子元件产生)开始在电路中振荡。晶体管放大器上的一个小基极电流产生相移180度的电流。

当这个信号反馈到放大器的输入端时,它将再次相移180度。如果环路增益等于单位,则会产生持续的振荡。

通过等效交流电路简化电路,得到

振荡的频率,

f = 1/ (2 π R C√((4Rc / R) + 6)

如果Rc/R << 1,则

f= 1/ (2 π R C√6)

持续振荡的条件,

hfe (min) = (4 Rc/ R) + 23 + (29 R/Rc)

对于R = Rc的相移振荡器,对于持续振荡,hfe应为56。

从上面的方程可以清楚地看出,为了改变振荡的频率,R和C的值必须改变。

但为了满足振荡条件,必须同时改变这三段的数值。因此,这在实际中是不可能的,因此,移相振荡器被用作所有实际用途的固定频率振荡器。

例子问题

对于一个晶体管RC振荡器,选择电容C和晶体管hfe的值,以提供2 KHz的振荡器频率,电阻RC =10KOhms, R=8KOhms

考虑到

Rc = 10 × 103.赫兹

R = 8 × 103.赫兹

F = 2 × 103.赫兹

在移相振荡器中,振荡频率由

f = 1/ (2 π R C√((4Rc / R) + 6)

2×103.= 1/ (2 π × 8 × 10)3.C√(4 × 10 × 10)3./ 8 × 103.) + 6))

C = 3.0 × 109F或0.003 μ F

晶体管增益的值由

hfe≥(4 Rc/ R) + 23 + (29 R/Rc)

Hfe≥(4 × 10 × 103./ 8 × 103.+ (29 × 8 × 103./ 10 × 103.

hfe≥51.2

因此电容值为C = 3.0 × 10- 9f, hfe = 51.2。

基于运算放大器的RC移相振荡器

与晶体管振荡器相比,运算放大器RC振荡器是常用的振荡器。这种振荡器由一个运放作为放大级和三个RC级联网络作为反馈电路组成,如下图所示。

该运算放大器以逆变模式工作,因此运算放大器的输出信号向出现在逆变端的输入信号偏移180度。另外,RC反馈网络还提供了180度的相移,这也是获得振荡的条件。

基于运算放大器的RC移相振荡器

放大器或运放的增益是通过Rf和R1电阻调节的。为了得到所需的振荡,将增益调整为运算放大器增益和反馈网络增益的乘积略大于1。

如果运放提供的增益大于29,则当环路增益大于1时,上述电路充当振荡器。

振荡的频率,

1/ (2 π r c√6)

振荡条件由A≥29给出。

我们可以通过调整Rf和R1得到放大器(A)的增益值,从而使电路中发生振荡。

例子问题

对于一个给定的运放RC移相振荡器,确定电路所需的Rf值,并确定振荡频率。

RC移相振荡器实例问题我们知道振荡的条件表示为

一个= 29

其中A是放大器的重值,因此反馈网络增益为β = 1/29 = R3/Rf。

因此,Rf = 29 × R3

= 29 × 10 × 103.

= 290 K欧姆

由于R1 = R2 = R3 = R, C1 = C2 = C3 = C,

那么振荡的频率是

f = 1/ (2 π R C√6)

= 1/ (2 π × (10 × 10)3.) × 0.01× 106×√6)

= 6.5 KHz。

相移振荡器的优点

  • 由于没有昂贵和笨重的高价值电感,电路设计简单,很适合10千赫以下的频率。
  • 这些可以产生纯正弦波形,因为只有一个频率可以满足巴克豪森相移的要求。
  • 它固定在一个频率上。

相移振荡器的缺点

对于可变频率的使用,相移振荡器是不适合的,因为电容值将不得不改变。同时,由于每次频率的变化都需要调整增益以满足振荡的条件。

  • 这些振荡器在输出中产生5%的失真水平。
  • 由于反馈较小,这个振荡器只给出很小的输出
  • 这些振荡器电路需要一个高增益,这实际上是不可能的。
  • 由于各种电路元件的温度、老化等影响,频率稳定性较差。

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