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运算放大器电路组建多谐振荡器

运算放大器或Op-amp是一种非常通用的设备,可用于各种不同的电子电路和应用,从电压放大器到滤波器,再到信号调节器。但是,基于任何通用运算放大器的一个非常简单且非常有用的运算放大器电路是Astable运算放大器多谐振荡器。

运算放大器多谐振荡器是一个非常稳定的振荡器电路,它使用连接到运算放大器的反相输入的RC定时网络和连接到另一个非反相输入的分压网络来生成矩形输出波形。

运放设计成正反馈形式,可以组建多谐振荡器,简化电路原理图如下

电路的振荡器周期T=2RC*ln(1+2R2/R1),

其中R1、R2选取合适的电阻阻值,反馈系数F-0.47,振荡周期简化为T=2RC。该电路的特点是:调试方便,改变R2或者R可以方便改变振荡频率;震荡周期与输出幅度无关,震荡频率的稳定性仅仅取决于电容和稳压管器件的稳定性。

积分臂R内串二极管组成的占空比可变的多谐振荡器,简化电路如下:

上图中C的充放电回路不对称,导致占空比可通过Ra、Rb来设置:

Tpa=Ra*C*Ln(1+2R2/R1)

Tpb=Rb*C*Ln(1+2R2/R1)

f=1/(Tpa +Tpb)= 1/[(Ra+Rb)*C*Ln(1+2R2/R2)]

 

振荡器调试注意点总结了部分如下:

  调试的主要内容是振荡频率、输出波形、振幅、稳定性等,之间互相影响,调试必须有清晰的振荡器原理,理论指导下,振幅大时输出波形失真会比较大,当两个指标互相矛盾时调节减小反馈系数或改变反馈网络来解决。工作在高频端的振荡器,调试需要特别注意仪器和环境对振荡回路的影响。

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k6666
LV.9
2
2021-04-15 10:58

首先假设电容器完全放电,运算放大器的输出在正电源轨上饱和。电容C开始从输出电压Vout通过电阻器R充电,其速率由RC <确定/ span>时间常数。

我们从RC电路的教程中了解到,电容器需要完全充电到Vout(+ V()在五个时间常数内。但是,只要运算放大器反相(-)端的电容充电电压等于或大于同相端的电压(运算放大器输出电压分数除以电阻R1和R2),输出将改变状态并被驱动到相反的负电源轨。

但是电容器一直快乐地向正电源充电(+ V(sat)),现在看到其板上的负电压-V(sat)。输出电压的这种突然反转导致电容器以RC时间常数再次指示的速率向Vout的新值放电。

运算放大器的反相端子达到新的负参考电压后,-Vref在非反相端,运算放大器再次改变状态,输出被驱动到相反的供电轨电压+ V(sat)。电容器现在看到其板上的正电压,充电周期再次开始。因此,电容器不断充电和放电,从而产生稳定的运算放大器多谐振荡器输出。

输出波形的周期由两个定时元件的RC时间常数决定。以及由R1,R2分压器网络建立的反馈比,用于设置参考电压电平。如果放大器饱和电压的正负值具有相同的幅度,那么t1 = t2并且给出振荡周期的表达式变为:

可以从上面的等式中看出,运算放大器多谐振荡器电路的振荡频率不仅取决于RC时间常数,但也反馈分数。

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k6666
LV.9
3
2021-04-15 14:01
@k6666
[图片]首先假设电容器完全放电,运算放大器的输出在正电源轨上饱和。电容C开始从输出电压Vout通过电阻器R充电,其速率由RC时间常数。我们从RC电路的教程中了解到,电容器需要完全充电到Vout(+V()在五个时间常数内。但是,只要运算放大器反相(-)端的电容充电电压等于或大于同相端的电压(运算放大器输出电压分数除以电阻R1和R2),输出将改变状态并被驱动到相反的负电源轨。但是电容器一直快乐地向正电源充电(+V(sat)),现在看到其板上的负电压-V(sat)。输出电压的这种突然反转导致电容器以RC时间常数再次指示的速率向Vout的新值放电。[图片]运算放大器的反相端子达到新的负参考电压后,-Vref在非反相端,运算放大器再次改变状态,输出被驱动到相反的供电轨电压+V(sat)。电容器现在看到其板上的正电压,充电周期再次开始。因此,电容器不断充电和放电,从而产生稳定的运算放大器多谐振荡器输出。输出波形的周期由两个定时元件的RC时间常数决定。以及由R1,R2分压器网络建立的反馈比,用于设置参考电压电平。如果放大器饱和电压的正负值具有相同的幅度,那么t1=t2并且给出振荡周期的表达式变为:[图片]可以从上面的等式中看出,运算放大器多谐振荡器电路的振荡频率不仅取决于RC时间常数,但也反馈分数。

多谐振荡器调试的时候会出现一些寄生振荡,因为电路的寄生参数而形成的正反馈而发生的异常振荡状态,可以发生在任何有源电路中(运放设计的多谐振荡器就属于有源电路的一种),电路一旦发生寄生振荡,会影响正常工作,严重的时候会使电路设计功能完全失效。

电源具有很低的低频内阻,出现低频寄生耦合的几率比较小,去耦电路会减弱电源的耦合干扰,但有时候存在电路耦合产生相移,加上供电电路的内部反馈环路,有可能使电路满足振荡调节而发生1Hz以下的超低频寄生振荡。消除的方法是增加RCL的值,或者参数调整改变相位条件,最终改变振荡调节,使电路进入稳定态。

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k6666
LV.9
4
2021-04-15 14:01
@k6666
多谐振荡器调试的时候会出现一些寄生振荡,因为电路的寄生参数而形成的正反馈而发生的异常振荡状态,可以发生在任何有源电路中(运放设计的多谐振荡器就属于有源电路的一种),电路一旦发生寄生振荡,会影响正常工作,严重的时候会使电路设计功能完全失效。电源具有很低的低频内阻,出现低频寄生耦合的几率比较小,去耦电路会减弱电源的耦合干扰,但有时候存在电路耦合产生相移,加上供电电路的内部反馈环路,有可能使电路满足振荡调节而发生1Hz以下的超低频寄生振荡。消除的方法是增加RCL的值,或者参数调整改变相位条件,最终改变振荡调节,使电路进入稳定态。

电路的器件分布参数、极间电容、接地电容等等都会引起寄生振荡,消除方法是减小分布参数,采用体积更小的器件,缩短引线、改变器件的PCB排布,这样处理后,寄生振荡回路的频率会变高,当频率变高到器件的截止频率外时,寄生振荡会无法满足正反馈条件而消失。PCB布局限制使得无法缩短的器件连线,可以在引线中串联消振电阻,降低引线的Q值。

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iszjt
LV.5
5
2021-07-14 14:18

感谢楼主分享!!!

多谐振荡由两个部分构成:

  一个是,开关模块,即,运放的反向输入,引起输入1时输出0,输入0时输出1。

  一个是,RC充放电回路,它的反复充放电,使得运放的反向输入端,在翻转电压附近来回振荡。

  从而在运放输出端得到方波。振荡周期由R、C决定。T≈RF·Cln[(R1+2R2)/R1]。

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wrta
LV.2
6
2021-07-14 15:45

学习路过,非常感谢提供参考资料

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airwill
LV.2
7
2021-07-27 13:33

实际上是一个 RC 延时电路, 和一个带正反馈的迟滞比较器.  R3, 和稳压管都可以不要的.

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2021-08-05 18:47
@k6666
电路的器件分布参数、极间电容、接地电容等等都会引起寄生振荡,消除方法是减小分布参数,采用体积更小的器件,缩短引线、改变器件的PCB排布,这样处理后,寄生振荡回路的频率会变高,当频率变高到器件的截止频率外时,寄生振荡会无法满足正反馈条件而消失。PCB布局限制使得无法缩短的器件连线,可以在引线中串联消振电阻,降低引线的Q值。

谐振电路的典型应用。感谢分析分享。

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