RC振荡器 - 使用OP-AMP，BJT

RC振荡器是正弦波振荡器的一种，利用线性输出产生正弦波电子元器件．调谐LC振荡器在较高频率下工作良好，但在低频率下，槽电路或时间电路中的电容和电感将非常大。

因此，RC振荡器更适合于低频应用。RC振荡器由放大器和反馈网络组成。这个反馈网络是一个移相网络，由若干个电容器和电阻器组成，这些电容器和电阻器呈阶梯状排列。这就是为什么这个振荡器也被称为阶梯型RC移相网络。

RC移相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移相网络。产生振荡的必要条件是环的总相移必须为360度。

因此，除了放大器引入的180°相移外，RC相移网络给出180°相移，因此总相移为360°，也等于0°。

在了解这个振荡器的工作原理之前，让我们先讨论反馈网络中使用的RC移相电路。

RC相移网络

下图显示了一个单一的RC网络，其中电阻R和电容C串联排列。图中，电路的总阻抗为电阻和感抗的组合，即

Z = R - j Xc

Z = Z∠ - ф欧姆

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 = (Vi∠Ф)/ Z

其中z =√（r2 + xc2）和

ф= TAN-1（XC / R）

由上式可知，电流引导输入电压Vi的角度为Ф。电阻上的电压降与电流相同时，电容上的电压降滞后于电流90度，这两种电压降的结果如下图所示。

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。

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度偏移，以使环路360度周围的整体相移。

由于传递函数中存在单极，单一RC截面网络最大相移90度。因此，至少两个RC网络就足以产生所需的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。

RC振荡电路

RC相移振荡器由公共发射器单级放大器组成，具有由三个相同的RC部分组成的相移反馈网络。单级放大器可以用晶体管或运算放大器（OP-AMP）为有源元件构建。

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。

电容器CE是旁路电容。三个RC部分被认为是相同的，最后一节的电阻是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组合提供的阻抗可忽略不计，因此对AC操作也没有影响。

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，该电流为相位偏移180度。

当这个信号反馈到放大器的输入端时，它将再次相移180度。如果环路增益等于单位，则会产生持续的振荡。

用等效电路简化电路交流电路,我们得到

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 C√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。

从上面的等式中，很明显，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固定频率振荡器，用于所有实际目的。

例子问题

对于晶体管RC振荡器，选择电容C和晶体管hfe的值，以提供2 KHz的振荡器频率，电阻RC =10KOhms, R=8KOhms

鉴于

rc = 10×10^3.赫兹

R = 8 × 10^3.赫兹

f = 2×10^3.赫兹

在相移振荡器中，振荡的频率由

f = 1/ (2 π R C√((4Rc / R) + 6))

2×10^3.= 1 /（2π×8×10^3.√(4 × 10 × 10^3./ 8×10^3.）+ 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≥（4×10×10^3./ 8×10^3.）+ 23 +（29×8×10^3./ 10×10^3.的）

hfe≥51.2

因此电容值为C = 3.0 × 10- 9f, hfe = 51.2。

使用运放的RC移相振荡器

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。

这个运放是在反相模式下工作的，因此运放的输出信号被平移180度到反相端出现的输入信号。另外，RC反馈网络还提供了180度的相移，从而提供了获得振荡的条件。

放大器或运放的增益是通过Rf和R1电阻来调节的。为了得到所需的振荡，对增益进行调整，使运放增益与反馈网络增益的乘积略大于1。

如果运放提供大于29的增益，当环路增益大于单位时，上述电路充当振荡器。

振荡的频率，

1 /（2πrC≥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，使得通过调整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。

我们知道振荡条件被表示为

一个= 29

其中A是放大器，因此反馈网络增益，β = 1/29 = R3/Rf。

因此，Rf = 29 × R3

= 29 × 10 × 10^3.

= 290k欧姆

因为R1 = R2 = R3 = R, C1 = C2 = C3 = C，

则振荡的频率为

f = 1 /（2πr c√6）

1/ (2 π × (10 × 10)^3.）×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价值电感，电路设计简单，非常适合低于10 KHz的频率。
• 这些可以产生纯粹的正弦波形，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

对于变频使用，相移振荡器不适合，因为必须变化电容值。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
• 这些振荡器电路需要高增益，这实际上是不可能的。
• 由于温度，衰老等的各种影响，频率稳定性差电路组件．