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。一个RC振荡器由一个放大器和反馈网络组成。该反馈网络是由若干个阶梯排列的电容和电阻组成的移相网络。这就是为什么这个振荡器也被称为梯形RC相移网络。

RC相移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端之前,放大器的输出经过一个相移网络。产生振荡的必要条件是绕回路的总相移必须为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

下图所示为电阻R和电容C串联排列的单个RC网络。图中,电路的总阻抗为电阻和电感阻抗的组合,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)

由上述方程可知,电流以角度Ф引出输入电压Vi。电阻上的电压下降与电流是相的,而电容上的电压下降滞后电流90度,这两个电压下降的合成如下图所示。

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相移网络的相量图

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

在这个晶体管振荡器中,一个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。晶体管有源区域的直流工作点由电阻R1、R2、RC、RE和电源电压Vcc确定。

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。

当这个信号反馈到放大器的输入时,它将再次相移180度。如果环路增益等于单位,则将产生持续振荡。

用等效交流电路对电路进行简化,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√6)

持续振荡的条件,

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。

例子问题

对于晶体管化的RC振荡器,选择电容C和晶体管hfe的值,以提供2khz的振荡器频率,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/ (2 π R C√(4Rc / R) + 6))

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

C = 3.0×109µF

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.

因此电容值为C = 3.0 × 10- 9f, hfe = 51.2。

使用运放的RC相移振荡器

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器级和三个RC级联网络作为反馈电路组成,如下图所示。

运放以反相方式工作,因此运放的输出信号与反相端出现的输入信号偏移180度。另外一个180度的相移是由RC反馈网络提供的,因此这是获得振荡的条件。

使用运放的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。

如果运放提供的增益大于29,则当环路增益大于单位时,上述电路充当一个振荡器。

振荡的频率,

1 /(2πr c√6)

振荡的条件由A≥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。

例子问题

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

一个= 29

其中A又是放大器,因此反馈网络增益为β = 1/29 = R3/Rf。

因此,Rf = 29 × R3

= 29 × 10 × 103.

= 290k欧姆

因为R1 = R2 = R3 = R and C1 = C2 = C3 = C,

那么振荡的频率是

f = 1 /(2πrC≥6)

= 1/ (2 π × 10 × 103.)×0.01×10-6×六6)

= 6.5 kHz。

相移振荡器的优点

  • 由于没有昂贵和笨重的高值电感,电路设计简单,非常适合10 KHz以下的频率。
  • 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。
  • 它固定在一个频率上。

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
  • 这些振荡器电路要求高增益,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。

3回复

发表评论

您的电子邮件地址将不会被公布。必需的地方已做标记*