文氏电桥(Wien bridge oscillator circuit),又称文氏电桥振荡电路,是利用
RC串并联实现的振荡电路,由Max.Wien发明的。由
放大电路和选频网络组成。
发明人
文氏电桥是Max.Wien 发明的, 此后 William Redington Hewlett 于1939年的硕士论文中进行了完善。根据发明者的姓名, 这个电路被称为Wien bridge , 也就是文氏电桥。
关于Max Wien 相关情况如下:Max Wien (1866 – 1938) a German physicist and the director of the Institute of Physics at the University of Jena. In 1891,Wien invented the Wien Bridge oscillator but did not have a means of developing electronic gain so a workable oscillator could not be achieved.
Max Wien,德国物理学家,耶拿大学物理学院导师。1891年,Wien 发明了文氏电桥振荡器。但他没有研究出产生电子增益的方法,因此一个真正可行的振荡器那时并未被完成。
工作原理
组成部分
文氏桥振荡电路由两部分组成:即选频网络和
放大电路。 由集成运放组成的电压串联负反馈放大电路,取其输入电阻高、输出电阻低的特点。
由Z1、Z2组成,同时兼作正反馈网络,称为RC串并联网络。由右图可知,Z1、Z2和Rf、R3正好构成一个电桥的四个臂,电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端。
由于Z1、Z2和R3、Rf正好形成一个四臂
电桥,电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端,因此这种振荡电路常称为RC桥式
振荡电路。
RC串并联网络的选频特性
为克服RC移相振荡器的缺点,常采用RC串并联电路作为选频反馈网络的正弦振荡电路,也称为文氏电桥振荡电路,如图Z0820所示。它由两级共射电路构成的同相放大器和RC串并联反馈网络组成。由于φA=0,这就要求RC串并联反馈网络对某一频率的相移φF=2nπ,才能满足振荡的相位平衡条件。下面分析RC串并联网络的选频特性,再介绍其它有关元件的作用。
图1:RC串并联选频网络振荡器
图1中RC串并联网络在低、高频时的等效电路如图1所示。这是因为在频率比较低的情况下,(1/ωC)>R,而频率较高的情况下,则(1/ωC)<R,前者等效于一节超前型移相电路,后者等效于一节滞后型移相电路。显然频率从低到高连续变化,相移从90°到-90°连续变化,其中必存在一个中间频率f0,使RC串并联网络的相移为零。于是满足相位平衡条件。对此,可进一步作定量分析,由图1得:
图2
为调节频率方便,通常取R1=R2=R,C1=C2=C,如果令ω0=1/RC,则上式简化为:
图3
可见,RC串并联反馈网络的反馈系数是频率的函数。由式GS0821可画出的幅频和相频特性,如图Z0822所示。由图可以看出:
图4
这就表明RC串并联网络具有选频特性。因此图Z0820电路满足振荡的相位平衡条件。如果同时满足振荡的幅度平衡条件,就可产生自激振荡。
一般两级阻容耦合放大器的电压增益Au远大于3,如果利用晶体管的非线性兼作稳幅环节,放大器件的工作范围将超出线性区,使振荡波形产生严重失真。为了改善振荡波形,实用电路中常引进负反馈作稳幅环节。图1中电阻Rf和Re引入电压串联
深度负反馈。这不仅使波形改善、稳定性提高,还使电路的输入电阻增加和输出电阻减小,同时减小了放大电路对选频网络的影响,增强了振荡电路的负载能力。通常Rf用
负温度系数的热敏电阻(Rt)代替,能自动稳定增益。假如某原因使振荡输出Uo增大,Rf上的电流增大而温度升高,阻值Rf减小,使负反馈增强,放大器的增益下降,从而起到稳幅的作用。
从图1可以看出,RC串并联网络和Rf、Re,正好组成四臂电桥,放大电路输入端和输出端分别接到电桥的两对角线上,因此称为文氏电桥振荡器。
广泛采用
集成运算放大器代替图1中的两级放大电路来构成RC桥式振荡器。图5是它的基本电路。
文氏电桥振荡器的优点是:不仅振荡较稳定,波形良好,而且振荡频率在较宽的范围内能方便地连续调节。