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1、Author: Jackie Long 1 All rights reserved, NO Spreading without Authorization 文氏电桥振荡电路详解文氏电桥振荡电路详解 文氏电桥振荡电路（Wien bridge oscillator circuit） ，简称“文氏电桥” ，是一种适于产生 正弦波信号的振荡电路之一， 此电路振荡稳定且输出波形良好， 在较宽的频率范围内也能够 容易调节，因此应用场合较为广泛。 如下图所示为基本文氏电桥振荡电路： 其中，R1、R2、C1、C2 组成的 RC 串并网络将输出正反馈至同相输入端，R3、R4 则将 输出负反馈至运放的反相输入端，
2、电路的行为取决于正负反馈那一边占优势（为便于分析， 通常都假设 R1=R2=R 且 C1=C2=C，当然这并不是必须的） 。 可以将该电路看作对 A 点输入（即同相端电压）的同相放大器，因此该电路的放大倍 数如下： 1 ? ? ? 可以证明，当放大倍数小于 3 时（即 R4/R3=2） ，负反馈支路占优势，电路不起振；当 放大倍数大于 3 时，正反馈支路占优势，电路开始起振并不是稳定的，振荡会不断增大，最 终将导致运放饱和，输出的波形是削波失真的正弦波。 只有当放大倍数恰好为 3 时，正负反馈处于平衡，振荡电路会持续稳定的工作，此时输 出波形的频率公式如下所示： ? 1 2?R?R?C?C?
3、? 1 2? 也可以这样理解： 电路刚上电时会包含频率丰富的扰动成分， 这些扰动频率都将会被放 大 3 倍，随后再缩小 3 倍，依此循环，只有扰动成分的频率等于 f0时，电路将一直不停地 振荡 而导 （也 元件 倍数 荡下去，也就 导致运放饱和 但是这个电 也就是放大倍 件不可能十分 数小于 3）或 我们用下图 当 R4= 当 R4=30K 时 2 就是说，频率 和而失真，相 电路的实际应 倍数必须为 3 分精确，就算 失真（放大倍 图所示的电路 100K 时，放 时，放大倍数 C1 10n 2 1 0 Au 率为 f0的成分 当于此时形 应用几乎没有 3） ，只要有一 可以做到，受 倍数大于
4、 3） 路参数进行仿 放大倍数为 11 数为 4，输出 R2 47kF R3 10k uthor: Jackie Lo All 分既不会因衰 成了一个平衡 ，因为它对器 一点点的偏差 受到温度、老 的情况。 真： 1，输出波形 出波形如下图 3 2 1 R4 30k 4 ong rights reserved, 衰减而最终消 衡电桥。 器件的要求非 差，电路就不 老化等因素， 形如下图： 图： U1A LM 48 4 C2 0nF 3 VCC 12. VCC VE -12.0V VEE NO Spreading 消失，也不会 非常高，即 R 不可能稳定地 电路也可会 A M358D 1 R1
5、47k 0V E 1 without Author 会因一直不停 R4/R3 必须等 地振荡下去， 会出现停振（ ization 停放大 等于 2 因为 放大 当 R3=21K 时 当 R3=20.1K 3 时，放大倍数 K 时，放大倍 Au 数为 3.1 倍， 倍数为 3.01 倍 uthor: Jackie Lo All 输出波形如 倍，输出波形 ong rights reserved, 如下图所示： 形如下图所示 NO Spreading 示： without Authorization 部分 信号 注意纵轴单 分） ，但由于放 当 R3=20K 时 注意纵轴单 号状态也无从 当 R3=
6、15K 时 4 单位为 mV（ 放大倍数太小 时，放大倍数 单位为 pV（皮 从得知，因此 时，放大倍数 Au 毫伏） ，此时 小，因此达到 数为 3 倍，输 皮伏） ，放大倍 此这里就没图 数为 2.5 倍（ uthor: Jackie Lo All 时电路起振后 到大信号电平 输出波形如下 倍数太小，一 了，不好意思 （负反馈占优 ong rights reserved, 后不断地放大 平需要更长的 下图所示： 一直都处在小 思。 优势） ，如下图 NO Spreading 大导致幅度增 的时间。 小信号状态， 图所示： without Author 增加（此图只 什么时候达 izatio
7、n 是一 达到大 波形 际用 易起 能限 支路 与 R 把局部放大 可以看到， 形都将出现削 用器件搭电路 为了让电路 R 我们的修改 起振，而当电 限制振荡的最 这里增加了 路相当于没有 R4 并联，这样 我们用下图 5 大后如下图所 电路的放大 削波失真，如 路时，要做到 路更容易应用 R1 改思路是这样 电路的振荡幅 最大幅度，从 了 R5、D1、D 有，因此放大 样放大倍数就 图所示的电路 Au 所示，注意纵轴 倍数越大，则 果放大倍数设 到放大倍数为 于实践，我们 R3 C1 样：当电路开始 度增大到某个 从而避免振荡波 D2，当振荡信 大倍数大于 3， 就会小一些 路参数进行仿 u
8、thor: Jackie Lo All 轴单位 则电路越容易 设置恰好为 3.00000XXX 们有必要对其 C2 + R5 始振荡时保证 个程度时，将 波形出现削波 信号比较小时 ，而当振荡信 （合理设置 R 真： ong rights reserved, 易起振，但只 3，则仿真时 X 可真不是件 其进行优化， + OP R4 R2 证放大倍数大 将其放大倍数 波失真。 时，二极管没 信号比较大时 R5 的阻值，可 NO Spreading 只要放大倍数 时间要等很久 件容易的事. 如下图所示 u D1 D2 大于 3，这样 数自动切换为 没有导通，因 时，二极管导 可以使其放大 with
9、out Author 数超过 3，则 久才会有结果 示： uo 样可以使得电 为小于 3，这 因此 R5、D1、 导通，相当于 大倍数小于 3 ization 输出 果。实 路容 这样就 D2 于 R5 3） 。 其输出波形 下图为局部 6 形如下图所示 部放大的波形 C 10 0 Au 示： 形图，可以看 R2 47k 1 0nF 2 R3 10k 4 uthor: Jackie Lo All 到，此时的输 3 2 C 10 - R4 30k R5 47k 4 ong rights reserved, 输出波形不再 U1A LM358 48 1 R1 47k C2 nF 3 VCC 12.0
10、V VCC VEE 12.0V VEE D D2 5 NO Spreading 再有失真。 8D 1 2 1 without Author ization 样两 交流 流全 直流 实际应用中 VCC 在单电源供 两者对直流正 流”特性，更 全负反馈，此 流通路等效如 7 中，我们也可 R1 C R6 供电系统中， 正电源 VCC 分 更多精彩文章 此时相当于一 如下图所示： Au 可能需要单电源 C1 R3 C3 我们增加了电 分压，则有 A 可关注电子 个电压跟随器 uthor: Jackie Lo All 源供电的振荡 3 A 电阻 R6 与电 点的电位为 子制作站微 器，因此输出 ong
11、 rights reserved, 荡电路，如下 C2 + OP R4 R R5 电容 C3，电阻 （VCC/2） ，再 微信订阅号 d 出静态时输出 NO Spreading 下图所示： 4 R2 D1 D2 阻 R6 的值通常 再利用电容 C dzzzzcn，使 出电压为 VCC without Author uo 常与 R1 相同 C3 的“隔直 R4（R5）引 C/2，此时电 ization 同，这 直流通 入直 路的 Author: Jackie Long 8 All rights reserved, NO Spreading without Authorization 我们用下图所
12、示的电路参数进行仿真： 其输出波形如下图所示： U1A LM358D 3 2 48 1 R1 47k R2 100k C1 10nF C2 10nF 4 VCC 12.0V VCC R4 100k R3 10k 0 R5 100k VCC 12.0V VCC C3 10nF 5 0 1 R6 24k D1 D2 2 6 3 以用 可以看到， 也有如下图 从原理上很 用下图所示电 9 输出正弦波 图所示相似的 很容易看出， 电路来摆脱这 C 1 0 Au 波是以 6V（即 电路，读者 电路输出波形 这个问题： R2 47k C1 10nF 2 R3 10k uthor: Jackie Lo Al
13、l 即 12V 的一半 可自行仿真， 形的幅度与二 3 2 C 10 R4 18k 4 ong rights reserved, 半）作为中点 ，原理是一致 二极管的正向 U1A LM35 48 1 R 47k C2 0nF 3 VCC 12.0V VCC VEE -12.0V VEE 27 6 NO Spreading 点的。 致的。 向压降有很大 58D 1 k V D2 D1 R5 7k 1 without Author 大的关系， 我 ization 我们可 Author: Jackie Long 10 All rights reserved, NO Spreading without
14、 Authorization N 沟道 JFET 的阀值电压 VTH为负压，当 VGS=0 时（即电路刚上电时） ，源漏导通而将 R5 短接到地，R5 与 R3 并联再与 R4 组成负反馈，此时电路的放大倍数约为 3.3（大于 3） ，电 路开始起振，振荡的幅度也会越来越大；当输出负压足以使 VGSVTH时，JFET 截止，此时电 路的放大倍数约为 2.9（小于 3） ，此电路的输出幅值约为 JFET 的阀值电压（负压）加一个二 极管压降，即 VTH+VD，其输出波形如下图所示： U1A LM358D 3 2 48 1 R1 47k R2 47k C1 10nF C2 10nF 41 VCC
15、12.0V VCC VEE -12.0V VEE R4 19k R3 10k 0 R5 47k 2 C3 2F R6 1M D1 Q1 6 0 7 3 1 下图也是一 R 10 C1 10nF 0 11 一种稳幅电路 R2 47k R3 k 2 Au 路，如下图所示 3 2 48 C2 10nF VCC V -12.0V V 4 uthor: Jackie Lo All 示，读者可 U1A LM358D 1 R1 47k 3 C 12.0V VCC VEE V VEE R4 30k D1 D2 ong rights reserved, 自行分析： NO Spreading R5 20 R6 4.7 R7 4.7 R8 20 -12.0V VE VCC VC 6 7 5 without Author 5 0k 6 7k 7 7k 8 0k VEE EE 12.0V CC ization
