RC振荡器 - 使用OP-AMP,BJT

RC振荡器是正弦振荡器之一,并通过使用线性电子元件产生正弦波输出。调谐的LC振荡器在较高频率下运行良好,但在低频时,罐电路或时间电路中的电容器和电感将是非常大的。

因此,RC振荡器更适合低频应用。RC振荡器包括放大器和反馈网络。该反馈网络是用梯形方式布置的电容器和电阻器的数量制成的相移网络。这就是该振荡器也称为梯形型RC相移网络的方式。

RC相移振荡器的基本原理是在将放大器的输出的一部分馈送到输入之前,放大器输出通过相移网络。制造振荡的必要条件是环绕环的总相移必须是360度。

因此,除了由放大器引入的180度相移之外,该RC相移网络还给180度相移,因此总相移是360度,也等于零度。

让我们讨论首先在理解该振荡器的操作之前首先在反馈网络中使用的RC相移电路。

RC相移网络

下图示出了单个RC网络,其中电阻器R和电容器C串联布置。在该图中,电路的总阻抗是电阻和电感抗性的组合,即,

z = r - j xc

Z = Z∠ - ф欧姆

RC相移网络

考虑施加的RMS电压的值是VI伏特。然后通过电路的电流给出

i =(vi∠0)/ z

i =(viфф)/ z

其中z =√(r2 + xc2)和

ф= TAN-1(XC / R)

从上述等式中,显然电流通过角度ф导致输入电压Vi。电阻器上的液滴在电流中同相,而电容器上的液滴滞后于电流90度,并且这些两个电压下降的结果如下图所示。

因此通过调整电容器C和电阻器R的值,调节角度Ф,使得它等于60度。

RC相移网络的相位图

反馈网络

如上所述,在反馈网络中使用多个RC电路以提供所需的相移。该网络必须提供总共180度的相移,以使环路360度周围的整体相移。

由于在其传递函数中的单极存在,单个RC截面网络提供最多90度相移。因此,至少两个RC网络足以产生所需的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度的相位位移。

因此,通过反馈网络中这三个部分获得的总相移为180度(3×60)。该反馈网络如下图所示。

级联rc网络

RC振荡电路

RC相移振荡器包括公共发射器单级放大器,其中相移反馈网络由三个相同的RC部分组成。单级放大器可以用晶体管或运算放大器(OP-AMP)为有源元素构建。

使用BJT的RC相移振荡器

在该横向振荡器中,晶体管用作放大器级的有源元件。下图显示了具有晶体管作为有源元件的RC振荡器电路。晶体管的有源区域中的DC操作点由电阻器R1,R2,RC和RE以及电源电压Vcc建立。

电容器CE是旁路电容。三个RC部分被认为是相同的,最后一节的阻力是R'= R - HIE。晶体管的输入电阻HIE被添加到R',因此电路给出的净电阻是R.

偏置电阻器R1和R2更大,因此对电路的AC操作没有影响。同样由于RE-CE组合提供的可忽略阻抗,对AC操作也没有影响。

使用BJT的RC相移振荡器

当给出电源时,噪声电压(由电气元件产生)开始电路中的振荡。晶体管放大器处的小基电流产生电流,该电流为180度。

当该信号反馈到放大器的输入时,它将再次相位偏移180度。如果环路增益等于Unity,则将产生持续振荡。

通过简化具有等效交流电路的电路,我们得到了

振荡的频率,

f = 1 /(2πrc√((4rc / r)+ 6)))

如果RC / R << 1,那么

f = 1 /(2πrC≥6)

持续振荡的状况,

HFE(min)=(4 rc / r)+ 23 +(29 r / rc)

对于具有R = RC的相移振荡器,HFE应为56,用于持续振荡。

从上面的等式显然,为了改变振荡的频率,必须改变R和C值。

但对于满足振荡条件,必须同时更改三个部分的这些值。因此,在实践中,这是不可能的,因此相移振荡器用作所有实际目的的固定频率振荡器。

示例问题

对于晶间RC振荡器,选择电容器C和晶体管HFE的值,以便提供2 kHz振荡器频率,具有电阻Rc = 10kohms,r = 8kohms

鉴于

rc = 10×103.赫兹

r = 8×103.赫兹

f = 2×103.赫兹

在相移振荡器中,振荡的频率是给出的

f = 1 /(2πrc√((4rc / r)+ 6)))

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

C = 3.0×10-9f或0.003μf

晶体管增益的值由

HFE≥(4 rc / r)+ 23 +(29 r / rc)

hfe≥(4×10×103./ 8×103.)+ 23 +(29×8×103./ 10×103.

HFE≥51.2.

因此,电容值是C = 3.0×10-9 F和HFE = 51.2。

使用OP-AMP的RC相移振荡器

与晶体化振荡器相比,运算放大器RC振荡器是常用振荡器。这种类型的振荡器由OP-AMP作为放大器级和三个RC级联网络作为反馈电路,如下图所示。

该运算放大器以反相模式操作,因此运算放大器的输出信号将180度移位到Inverting终端时出现的输入信号。并且RC反馈网络提供额外的180度相移,因此提供了获得振荡的条件。

使用OP-AMP的RC相移振荡器

随着RF和R1电阻的帮助,调整放大器或OP-AMP的增益。为了获得所需的振荡,以这样的方式调整增益,即OP-AMP增益和反馈网络增益的乘积略大于1。

如果OP-AMP提供大于29的增益,则上述电路充当振荡器,因为循环增益大于Unity,如果OP-AMP提供大于29的增益。

振荡的频率,

1 /(2πr c√6)

振荡条件由≥29给出。

我们可以获得放大器(a)的这个增益值,以便通过调整RF和R1来在电路中发生振荡。

示例问题

对于给定的OP-AMP RC相移振荡器,确定电路所需的RF的值并确定振荡的频率。

RC相移振荡器示例问题我们知道振荡条件表达为

A = 29.

其中A是放大器的再次,因此反馈网络增益,β= 1/29 = R3 / RF。

因此,RF = 29×R3

= 29×10×103.

= 290 K欧姆

由于R1 = R2 = R3 = R和C1 = C2 = C3 = C,

然后振荡的频率是

f = 1 /(2πrC≥6)

= 1 /(2π×(10×103.)×0.01×10-6×六6)

= 6.5 kHz。

相移振荡器的优点

  • 由于缺乏昂贵和庞大的高值电感器,电路易于设计,适用于低于10 kHz的频率。
  • 这些可以产生纯粹的正弦波波,因为只有一个频率可以满足Barkhausen相移要求。
  • 它固定在一个频率。

相移振荡器的缺点

对于可变频率使用,相移振荡器不适合,因为电容值必须变化。而且,对于每次的频率变化需要增益调整以满足振荡的条件。

  • 这些振荡器在输出中产生5%的失真级别。
  • 由于较小的反馈,该振荡器仅提供小输出
  • 这些振荡器电路需要高增益,实际上是不可能的。
  • 由于各种电路部件的温度,老化等的影响,频率稳定性差。

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