使用运算放大器的维恩桥振荡器设计

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，维恩桥振荡器成为最为流行的音频范围信号发生器电路。由于这种类型的振荡器使用RC反馈网络，因此也可以被视为RC振荡器。

普通振荡器与维恩桥振荡器的主要区别在于，在普通振荡器中，放大器级引入了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0度相移满足巴克豪森准则。但是，在维恩桥振荡器的情况下，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。

维恩桥振荡器基本电路

维恩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，带有放大级的维恩桥振荡器的基本电路如下图所示：

从上图可以看出，放大器的输出施加在端子1和3之间，而放大器级的输入从端子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，为了产生持续的振荡，放大器的输入必须不消失。因此，可以通过调整电阻器的适当值来使得电桥不平衡。

正如上面所述，RC网络负责确定振荡器的频率。RC网络由两个频率敏感臂组成，即串联R1C1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

上图表示谐振频率下的输出电压。在谐振频率下，电路的相移为零，衰减为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，维恩桥振荡器可以提供不同的频率范围。

使用运算放大器的维恩桥振荡器

下图显示了一种广泛使用的维恩电桥振荡器电路。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，维恩桥振荡器用作正弦波发生器，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。

所以，1 + (Rf / R1) ≥ 3 =>(Rf / R1) ≥2

因此，电阻Rf与R1的比率必须等于或大于2。振荡频率由下式给出：

f=1/2πRC

晶体管维恩桥振荡器

下图显示了使用两级共发射极晶体管放大器的晶体管维恩桥振荡器，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。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它电路组件的移动，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第二个晶体管T2基极端，并且该电压乘以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，反馈网络中的维恩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)

维恩桥的自动增益控制

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。这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。

当然，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。

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。

主要优点

由于使用了二级放大器，维恩桥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。

维恩桥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。

主要缺点

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，维恩桥振荡器是一个两级RC耦合放大器电路，在谐振频率下具有良好的稳定性，低失真并且非常容易调谐，使其成为一种流行的电路，作为音频振荡器但是相位输出信号的移位与先前的相移RC振荡器有很大不同。