使用運(yùn)放的RC移相振蕩器

相移振蕩器是一種產(chǎn)生正弦波輸出的電子振蕩器電路。它既可以使用晶體管設(shè)計(jì)，也可以使用運(yùn)算放大器作為反相放大器。通常，這些相移振蕩器被用作音頻振蕩器。在RC相移振蕩器中，RC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生180度相移，運(yùn)放又產(chǎn)生180度相移，因此產(chǎn)生的波反向360度。

除了產(chǎn)生正弦波輸出外，它們還用于提供對相移過程的重要控制。移相振蕩器的其他用途有：

?在音頻振蕩器中

?正弦波逆變器

?語音合成

?全球定位系統(tǒng)裝置

?樂器。

在我們開始設(shè)計(jì)RC相移振蕩器之前，讓我們更多地了解它的相位和相移。

什么是相位和相移?

相位是一個(gè)完整的周期周期的正弦波在360度參考。一個(gè)完整的周期被定義為波形返回其任意初始值所需的間隔。相位表示為該波形周期上的一個(gè)點(diǎn)位置。如果我們看到正弦波，我們可以很容易地識別相位。

在上面的圖像中，顯示了一個(gè)完整的波周期。正弦波的初始起點(diǎn)是0度相位，如果我們確定每個(gè)正、負(fù)峰值和0點(diǎn)，我們將得到90度、180度、270度、360度相位。所以，當(dāng)一個(gè)正弦信號開始它的旅程而不是0度參考時(shí)，我們稱之為與0度參考相移微分。

如果我們看下一張圖，我們就會(huì)知道相移正弦波是什么樣的……

在這張圖中，有兩個(gè)交流正弦信號波，第一個(gè)綠色的正弦波是360度的相位，而紅色的正弦波是90度的相位，與綠色信號的相位相移。

這種相移可以用一個(gè)簡單的RC網(wǎng)絡(luò)來完成。

RC移相振蕩器

一個(gè)簡單的RC相移振蕩器提供60度的最小相移。

上圖顯示了一個(gè)單極移相RC網(wǎng)絡(luò)或階梯電路，它將輸入信號的相位移動(dòng)等于或小于60度。

理想情況下，RC電路輸出波的相移應(yīng)該是90度，但實(shí)際上它是近似的。60度，因?yàn)殡娙萜鞑焕硐?。RC網(wǎng)絡(luò)相角計(jì)算公式如下：

式中，Xc為電容器的電抗，R為連接在RC網(wǎng)絡(luò)中的電阻。

如果我們級聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)，我們會(huì)得到180度的相移。

現(xiàn)在要?jiǎng)?chuàng)建振蕩和正弦波輸出，我們需要一個(gè)有源元件，晶體管或運(yùn)算放大器在反相配置。

為什么使用運(yùn)放的RC相移振蕩器，而不是晶體管?

使用晶體管構(gòu)建RC相移振蕩器存在一些限制：

?只有在低頻時(shí)才穩(wěn)定。

?RC相移振蕩器需要額外的電路來穩(wěn)定波形的幅度。

?頻率精度不理想，不能避免噪聲干擾。

?不利負(fù)載效應(yīng)。由于級聯(lián)的形成，第二極的輸入阻抗改變了第一極濾波器的電阻特性。濾波器級聯(lián)越嚴(yán)重，會(huì)影響相移振蕩器頻率的計(jì)算精度。

由于電阻和電容之間的衰減，每級的損耗增加，總損耗約為輸入信號的1/29。

由于電路在1/29處衰減，我們需要恢復(fù)損耗。在我們之前的教程中了解更多有關(guān)它們的信息。

使用運(yùn)放的RC移相振蕩器

當(dāng)我們將運(yùn)放用于RC移相振蕩器時(shí)，它起到了反相放大器的作用。最初，輸入波已經(jīng)進(jìn)入RC網(wǎng)絡(luò)，因此我們得到了180度的相移。并且，RC的輸出被饋送到運(yùn)放的反相端。

現(xiàn)在，正如我們所知，當(dāng)運(yùn)算放大器作為反相放大器時(shí)，將產(chǎn)生180度的相移。因此，我們在輸出正弦波中得到360度的相移。使用運(yùn)放的RC移相振蕩器即使在變化的負(fù)載條件下也能提供恒定的頻率。

組件的要求

?運(yùn)算放大器IC - LM741

?電阻- (100k - 3nos, 10k - 2nos, 4.7k)

?電容器- (100pF - 3nos)

?示波器

線路圖

基于運(yùn)算放大器的RC移相振蕩器仿真

RC相移振蕩器提供精確的正弦波輸出。正如您在最后的仿真視頻中看到的，我們已經(jīng)將示波器的探頭設(shè)置為電路的四個(gè)級。

這里，反饋網(wǎng)絡(luò)提供了180度的相移。每個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)都是60度。并且，剩余的180度相移由反相配置中的運(yùn)放產(chǎn)生。

計(jì)算振蕩頻率用下式：

采用運(yùn)放的RC移相振蕩器的缺點(diǎn)是不能用于高頻應(yīng)用。因?yàn)槊慨?dāng)頻率過高時(shí)，電容器的電抗非常低，它就會(huì)起到短路的作用。

本文編譯自circuitdigest