使用運(yùn)算放大器產(chǎn)生正弦波的常用方法之一是使用Wien電橋配置。電子電路設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，并提供了良好的整體性能。

顧名思義，運(yùn)算放大器維也納電橋振蕩器或發(fā)生器基于維也納電橋網(wǎng)絡(luò)。這是 Max Wien 于 1891 年開(kāi)發(fā)的一種橋式電路，它由四個(gè)電阻器和兩個(gè)電容器組成。

Wien橋式振蕩器已經(jīng)存在了很多年，它作為音頻振蕩器在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，要么使用分立電子元件，要么使用運(yùn)算放大器。

由于運(yùn)算放大器是易于使用的電子元件，可提供近乎完美的操作，因此它們被廣泛用于此類(lèi)電路中。

基本的維也納橋電路如下所示，從中可以看出。

基本維也納橋的電路

基本橋式電路用于許多應(yīng)用，包括測(cè)量電容器的值，其中可變電阻器和已知電容器可用于確定電容器的值，通常為C1。

首先，讓我們從定性的角度看一下電路。這有助于解釋電路的實(shí)際操作，并了解其工作原理。

維也納橋RC網(wǎng)絡(luò)

從圖中可以看出，該電路可以一分為二：維恩橋的一個(gè)串聯(lián)元件，即串聯(lián)電阻和電容器組成一個(gè)高通濾波器;和并聯(lián)電容電阻元件形成從線(xiàn)路到地的低通濾波器。

換句話(huà)說(shuō)，有一個(gè)串聯(lián)的高通濾波器和一個(gè)并聯(lián)的低通濾波器。總體效果是，兩者的組合形成了一個(gè)選擇性的二階帶通濾波器，該濾波器具有相當(dāng)高的Q因數(shù)，諧振頻率為f0.

簡(jiǎn)單地看網(wǎng)絡(luò)，在零頻率下，由電子元件 R1 和 C1 組成的串聯(lián)低通濾波器將具有無(wú)限阻抗，因?yàn)橹绷鳠o(wú)法通過(guò)電容器。

同樣，在非常高的頻率下，并聯(lián)電路效應(yīng)主要由電容器幾乎為零的阻抗決定 - 它實(shí)際上使輸出短路。

在這些頻率之間有一個(gè)點(diǎn)，輸出達(dá)到最大值 - 它的“諧振頻率”，F(xiàn)0.

在這個(gè)諧振頻率下，整個(gè)電路的電抗等于它的電阻，即：Xc=R，輸入和輸出之間的相位差為零。在此最大品脫時(shí)，輸出電壓的大小等于輸入電壓的三分之一。

還發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中的相移隨頻率而變化，在諧振頻率 f 處穿過(guò)軸0.

維也納橋RC網(wǎng)絡(luò)的電壓和相位響應(yīng)

從電子電路設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)角度來(lái)看電路。維恩電橋特別靈活，不需要相等的電子元件R或C值。在某個(gè)頻率下，串聯(lián) R2-C2 臂的電抗將是 R1-C1 臂的精確倍數(shù)。如果將兩個(gè) R3 和 R4 臂調(diào)整到相同的比率，則電橋?qū)⑵胶狻?/p>

在確定平衡頻率方面，可以使用一些簡(jiǎn)單的方程式。

如果 R1 = R2 且 C1 = C1，則電子電路設(shè)計(jì)方程簡(jiǎn)化;結(jié)果是 R4 = 2 R3。

在實(shí)踐中，電子元件 R1 / R2 和 C1 / C2 的值永遠(yuǎn)不會(huì)完全相等，但上面的等式表明，對(duì)于這些臂中的固定值，電橋?qū)⒃?R4/R3 的某個(gè) ω 和某個(gè)比率下保持平衡。

通過(guò)進(jìn)行這些假設(shè)和簡(jiǎn)化，電子電路設(shè)計(jì)變得非常容易。

運(yùn)算放大器維也納電橋振蕩器

對(duì)于正弦波振蕩器的電子電路設(shè)計(jì)，電橋可以在反饋環(huán)路內(nèi)使用，電路在平衡點(diǎn)（即網(wǎng)絡(luò)的“諧振點(diǎn)”）振蕩。此外，運(yùn)算放大器的輸入阻抗水平非常高，輸出阻抗水平非常低，這意味著橋元件上的負(fù)載最小，這簡(jiǎn)化了電子電路設(shè)計(jì)。

Wien橋振蕩器可以看作是一個(gè)正增益放大器，與一個(gè)帶通濾波器相結(jié)合，通過(guò)該濾波器施加正反饋。當(dāng)使用正反饋時(shí)，必須能夠限制增益以避免過(guò)度失真水平。這是通過(guò)使用自動(dòng)增益控制、有意非線(xiàn)性和偶然非線(xiàn)性限制輸出幅度等多種方式實(shí)現(xiàn)的，它們可以以不同的方式用于不同的電路。

基本的Wien電橋振蕩器或發(fā)生器電路如下所示，其中包含纏繞在運(yùn)算放大器本身周?chē)碾姌螂娐吩Ｔ陔娐分锌梢钥吹教峁┱答伒恼鲆娣糯笃骱蛶V波器。

運(yùn)算放大器Wien橋振蕩器的電路

包含電容器的電橋元件與同相輸入相關(guān)聯(lián)，純電阻元件與反相輸入相關(guān)聯(lián)。要使電路振蕩，對(duì)電路的分析顯示必須有180°的相移，這要求C1 = C2，R1 = R2。此外，Rf 通常設(shè)置為 2 Rg。振蕩頻率可以通過(guò)以下簡(jiǎn)單公式確定：

這種形式的維也納電橋振蕩器/發(fā)生器電路的問(wèn)題之一是產(chǎn)生的失真水平。如果Rf的值增加（增加電路的增益），則發(fā)現(xiàn)失真水平也會(huì)隨著運(yùn)算放大器達(dá)到飽和而增加。

在許多情況下，克服這個(gè)問(wèn)題的一種簡(jiǎn)單方法是用小型白熾燈或熱敏電阻代替電阻Rg。電阻比 Rf 設(shè)置為保持在 2Rg 左右。這個(gè)想法之所以有效，是因?yàn)楫?dāng)振蕩器首次通電時(shí)，燈很冷，電阻很小。流過(guò)它的電流較大，燈或熱敏電阻發(fā)熱，從而增加其電阻，進(jìn)而導(dǎo)致增益下降和電流下降。一段時(shí)間后，達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，振蕩器將自我調(diào)節(jié)增益，從而調(diào)節(jié)失真水平。

用于維也納橋式振蕩器的二極管限幅器

限制振蕩器振幅擺幅從而減少失真的另一種方法是在振蕩器反饋環(huán)路中使用一對(duì)背靠背二極管。二極管可以放置在電阻 R 的一部分上f.隨著振幅的增加，因此電阻有效減小，振幅減小。

帶限幅二極管的運(yùn)算放大器維也納橋振蕩器電路

該電路能夠提供比電路更低的失真水平，而沒(méi)有任何幅度限制。

Wien橋振蕩器在許多應(yīng)用中用于提供正弦波信號(hào)。盡管失真水平可能高于其他形式的音頻振蕩器，但它仍然提供了一種非常方便和可靠的音頻正弦波振蕩器形式。

審核編輯：黃飛