RC相移振荡器工作原理+参数计算公式+电路设计总结

今天给大家分享的是：RC相移振荡器，主要是关于RC相移振荡器的工作原理、参数计算设计、运算放大器相移振荡电路、FET（场效应晶体管）相移振荡器电路、BJT相移振荡器电路。

一、什么是相位和相移？

相位是 360 °条件下正弦周期波的完整周期。引入一个完整周期作为波形格式恢复其任意初始值所需的间隔。相位被称为这种波形周期格式的特定位置。如果我们访问波的正弦形式，我们可以简单地检测相位。

  正弦波周期的完整形式     在上图中，给出了波浪周期的完整形式。正弦波的起始点为 0 o同相，如果我们能确定每个正负峰值和 0 段，我们将找到 90、180、270、360 度相位。因此，当正弦波开始时，它基于 0 度参考进行操作。我们将其引入为根据 0 度参考的相移微分。我们可以通过使用下一个图像来指定正弦波的移动相位如何相似。

  正弦波的移动相位     在此图中，显示了两种不同的交流正弦波，基本的绿色正弦波是 360 °相位，但红色的是90°相位旋转出第一个信号的相位。这种相移可以通过采用简单的 RC 配置来应用。

二、RC 相移振荡器

相移振荡器是产生正弦波输出的线性电子振荡器。相移振荡器由输入放大器和反馈路径组成，如下图所示：

  相移振荡器     这是相移振荡器的简单示意图。RC 振荡器将 R 和 C 作为反馈路径中的相移网络，反馈到输入端。RC 相移振荡器是一种反馈振荡器，其具有相移作为反馈因子。RC 表示在振荡器输出中产生相移的 R（电阻）和 C（电容）的组合。它通常用于音频范围。

  RC 相移振荡器     RC 振荡器的组件是梯形形式的反相放大器（晶体管和运算放大器）、电阻和电容。反相放大器具有各种优点，例如有限增益和有限输入阻抗。放大器提供 180°的相移，相移网络也提供 180 °的相移。RC 振荡器利用两个组件提供的相移。     相移 = 180（放大器）+ 180（反馈）     相移 = 360 °     相移 = 360 ° = 0 °     因此，它有助于振荡器提供正反馈。

三、RC相移振荡器主要参数计算公式

在 RC 相移振荡器中，RC 电路放置在反馈网络中，以产生稳定的低频正弦信号，范围为几赫兹到几赫兹，如无线电频率。     在这种类型的振荡器中，放大器提供 180 °的相移。由于可持续振荡器需要 0 或 360 °的相位角，因此反馈电路的相移也必须为 180°。除了相位角，放大器和反馈增益的乘积应该等于 1。     RC 电路传递函数为：

  相位角

  RC 高通滤波器 根据上式，当等于 0 时，传递函数相位角为 0，当等于 0 时，相位角为 90 °。     因此，相位角可以在 0 °到 90 °之间变化，但是如何产生 180 °的相移呢？答案是级联两个 RC 电路，如图所示，因为每个电路都可以提供 90 °相移。为了使每个电路实现 90 °相移，电阻应该非常小（理论上为零）。     然而，当 R 非常小时，电路增益变为零。因此，实际上，仅由两个 RC 电路无法产生 180 °相移。如果使用三级，则每级相移为 60 °。在这种情况下，另一个问题是其他阶段的负载效应，但整体相移将是 180 °。这些阶段可以增加，即     带有运算放大器的 RC 相移振荡器电路的可能配置如上图 所示。在这些配置中，运算放大器处于反相模式以提供 180 度相移。此外，RC 电路用于在反馈网络中提供 180 度。这意味着振荡器的整体相移是 360 度。在这种情况下，电路的特定频率可以通过以下等式计算。   特定频率     其中 N 是 RC 级数。

四、RC相移振荡器采用什么运算放大器？

1、运算放大器实现 RC 相位振荡器

使用运算放大器实现 RC 相位振荡器如下图所示：

  使用运算放大器实现 RC 相位振荡器     它有三个电容和四个电阻。如果我们假设电阻 R1 = R2 = R3 = R 和电容 C1 = C2 = C3 = C 的值，计算就变得容易了。振荡频率可以表示为：   振荡频率     振荡标准为： R fb = 29. R R fb是反馈电阻     述条件是通过考虑除负反馈电阻器之外的所有电阻等于 R 来假设的。否则，计算非常复杂。振荡频率现在可以表示为： F o = 1/2π (R 2 R 3 (C 1 C 2 + C 1 C 3 + C 2 C 3 ) + R 1 R 3 (C 1 C 2 + C 1 C 3 ) + R 1 R 2 C 1 C 2 ) 1/2     单个运算放大器电路需要高增益（大约 30）来平衡反馈中连接的电阻和电容的梯形网络。高增益有助于它保持振荡。如果 RC 网络稳定，振荡器的增益约为 10 就足够了。     我们（关注公众号--电路一点通）还可以为电路中的每个 RC 网络插入一个缓冲区，它可以防止加载并且不会干扰振荡。

2、运算放大器实现 RC 相位振荡器案例示范

对于给定的运算放大器 RC 相移振荡器，确定电路所需的 Rf 值并确定振荡频率。

  运算放大器实现 RC 相位振荡器     我们知道振荡的条件表示为 A = 29     其中 A 是放大器的后级，因此是反馈网络增益，β = 1/29 = R3/Rf。 因此，Rf = 29 × R3 = 29 × 10 × 10 3 = 290 千欧姆     由于 R1 = R2 = R3 = R 和 C1 = C2 = C3 = C， 那么振荡频率为 f = 1/ (2 π RC √ 6) = 1/ (2 π × (10 × 10 3 ) × 0.01× 10 -6 × √ 6) = 6.5 千赫兹。

五、使用 FET（场效应晶体管）相移振荡器电路

1、使用 FET（场效应晶体管）相移振荡器电路

如下图所示：

  使用 FET（场效应晶体管）相移振荡器电路     这里，Rs 和 Cs 是连接在 FET 源极端子上的电阻和电容。     FET RC 相移振荡器的振荡频率由下式给出：   FET RC 相移振荡器的振荡频率     它也可以表示为：   FET RC 相移振荡器的振荡频率     N 指定连接在反馈相位网络中的 RC 级数。2N 直接代入 6，因为 RC 级数固定为 3。在 RC 阶段 > 3 的情况下，N 的值会发生变化。     频率值可以通过改变电阻或电容的值来改变。     RC 电路的相位角可以表示为： A = tan-1(XC/R)

R 是电阻

X C = 1/2√fC

F是频率

C是电容

单个 RC 网络产生最大 90 °的相移。但是，RC 相移振荡器需要与反馈相移至少 180 °。因此，在反馈中连接两个或两个以上的 RC 网络以产生所需的相移。     让我们讨论三个电容和两个电阻如何产生 180 °的相移。     每个 RC 网络的最小相移 = 60 °     对于 180 °，所需的 RC 网络为 180/60 = 3     因此，三个 RC 网络连接在反馈路径中以产生 180 °相移。

2、使用 FET（场效应晶体管）相移振荡器电路 电路实例

在 FET（场效应晶体管）相移振荡器中，R1 = R2 = R3 = 2M 欧姆且 C1 = C2 = C3 = 80 p 法拉。确定电路将振荡的频率。     给定：R1 = R2 = R3 = R = 2M 欧姆 = 2 x 10 6欧姆 C1 = C2 = C3 = C = 34 pF = 80 x 10 -12法拉     可以使用下式给出的公式计算振荡频率： FET RC 相移振荡器的振荡频率   F o = 10 6 / (2 x 3.1415 x 2 x 10 6 x 80 x 10 -12 x 2.449) F o = 10 6 / 2461.93 F o = 406.18 赫兹 因此，振荡频率为 406.18 Hz。

六、使用 BJT 的 RC 相移振荡器电路

1、使用 BJT 的 RC 相移振荡器电路

下图为使用BJT的 RC 移相电路的完整电路图。晶体管被认为是 RC 相移振荡器电路中放大级的有源元件。电阻 R、RC、RE、R1 和 Vcc 在上述电路中建立了一个有源区。CE 是这里的旁路电容。     这里的三个 R 部分是相同的。偏置电阻值很大，因此不会影响交流操作。RE-CE 的组合提供了可以忽略不计的阻抗，这就是为什么它对交流操作没有任何影响。集电极电阻限制晶体管集电极电流。发射器响应提高了稳定性。电容 Co 和 CE 是输出去耦电容和发射极旁路电容。

使用 BJT 的 RC 相移振荡器电路图     接通电源后，振荡开始。晶体管放大器上的小电流产生 180 °相移的电流。当信号将通过反馈作为输入提供给放大器时（关注公众号--电路一点通），又会发生 180 °的相移。当环路增益等于 1 时，将产生持续运行。如果需要改变振荡频率，则应改变 R 和 C 值，因为只有频率振荡会发生变化。

2、使用 BJT 的 RC 相移振荡器电路示例

使用 BJT 的 RC 相移振荡器电路     对于晶体管化 RC 振荡器，选择电容C 和晶体管 hfe 的值，以提供 2 KHz 振荡器频率，电阻 Rc=10KOhms，R=8KOhms     

鉴于 Rc = 10 × 10 3赫兹 R = 8 × 10 3赫兹 f = 2 × 10 3赫兹     

在相移振荡器中，振荡频率由下式给出 f = 1/ (2 π RC √ ((4Rc / R) + 6)) 2 × 10 3 = 1/ (2 π × 8 × 10 3 C √ ((4 × 10 × 10 3 / 8 × 10 3 ) + 6)) C = 3.0 × 10 -9 F 或 0.003 µ F     

晶体管增益的值由下式给出 hfe ≥ (4 Rc/R) + 23 + (29 R/Rc) hfe ≥ (4 × 10 × 10 3 / 8 × 10 3 ) + 23 + (29 × 8 × 10 3 / 10 × 10 3 ) hfe≥51.2 因此电容值为 C = 3.0 × 10-9 F 和 hfe = 51.2。

　　审核编辑：汤梓红