RC振荡器使用运放,BJT

RC振荡器是一种正弦波振荡器,通过使用线性电子元件产生正弦波输出。调谐LC振荡器在较高频率下运行良好,但在低频率时,槽电路或时间电路中的电容和电感将非常大。

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移相网络

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

∠- Ф欧姆

RC移相网络

假定施加的有效值为Vi伏。则通过电路的电流为

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C和电阻R的值,调整角度Ф,使其等于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电路来提供所需的相移。这个网络必须提供总共180度的相移,以使整个环的相移360度。

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,在一个实际的RC相移振荡器,三个RC相移网络级联与每个部分提供60度相位移。

所以这三个部分在反馈网络中得到的总相移为180度(3 × 60)。这个反馈网络如下图所示。

级联rc网络

RC振荡器电路

一个RC相移振荡器由一个共发射极单级放大器和一个由三个相同RC部分组成的相移反馈网络组成。单级放大器可以用晶体管或运放(运放)作为有源元件。

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CE为旁路电容。取三个RC截面相同,最后一个截面的阻力为R ' = R - hie。晶体管的输入电阻hie加到R '上,因此电路给出的净电阻为R。

偏置电阻R1和R2较大,因此对电路的交流工作没有影响。同样由于RE - CE组合提供的可忽略的阻抗,它对交流操作也没有影响。

使用BJT的RC相移振荡器

当电源给电路时,噪声电压(由电子元件产生)在电路中开始振荡。晶体管放大器的一个小的基极电流产生一个相移180度的电流。

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R = Rc的相移振荡器,持续振荡时hfe应为56。

从上面的方程可以清楚地看出,为了改变振荡的频率,R和C的值必须改变。

但为了满足振荡条件,这三段的值必须同时改变。所以这在实际中是不可能的,因此移相振荡器被用作固定频率的振荡器。

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

考虑到

Rc = 10 × 103.赫兹

r = 8×103.赫兹

F = 2 × 103.赫兹

在相移振荡器中,振荡频率由

f = 1 /(2πrc√((4rc / r)+ 6)))

2×103.2 π × 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.) + (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/ (2 π r√6)

振荡条件由≥29给出。

我们可以得到放大器(A)的增益值,从而通过调整Rf和R1在电路中发生振荡。

示例问题

对于一个给定的运放RC相移振荡器,确定电路所需的射频值,并确定振荡频率。

RC相移振荡器例子问题我们知道振荡的条件表示为

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/ (2 π R√6)

= 1 /(2π×(10×103.) × 0.01× 10-6×√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。
  • 这些可以产生纯正弦波形,因为只有一个频率可以满足巴克豪森相移的要求。
  • 它固定在一个频率。

相移振荡器的缺点

对于一个可变频率的使用,相移振荡器是不适合的,因为电容值将不得不改变。同时,对于每次频率的变化都需要调整增益以满足振荡的条件。

  • 这些振荡器在输出中产生5%的失真水平。
  • 由于反馈较小,这个振荡器只给出很小的输出
  • 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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