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運算放大器電路組建多諧振蕩器

運算放大器或Op-amp是一種非常通用的設備,可用于各種不同的電子電路和應用,從電壓放大器到濾波器,再到信號調節器。但是,基于任何通用運算放大器的一個非常簡單且非常有用的運算放大器電路是Astable運算放大器多諧振蕩器。

運算放大器多諧振蕩器是一個非常穩定的振蕩器電路,它使用連接到運算放大器的反相輸入的RC定時網絡和連接到另一個非反相輸入的分壓網絡來生成矩形輸出波形。

運放設計成正反饋形式,可以組建多諧振蕩器,簡化電路原理圖如下

電路的振蕩器周期T=2RC*ln(1+2R2/R1),

其中R1、R2選取合適的電阻阻值,反饋系數F-0.47,振蕩周期簡化為T=2RC。該電路的特點是:調試方便,改變R2或者R可以方便改變振蕩頻率;震蕩周期與輸出幅度無關,震蕩頻率的穩定性僅僅取決于電容和穩壓管器件的穩定性。

積分臂R內串二極管組成的占空比可變的多諧振蕩器,簡化電路如下:

上圖中C的充放電回路不對稱,導致占空比可通過Ra、Rb來設置:

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)]

 

振蕩器調試注意點總結了部分如下:

  調試的主要內容是振蕩頻率、輸出波形、振幅、穩定性等,之間互相影響,調試必須有清晰的振蕩器原理,理論指導下,振幅大時輸出波形失真會比較大,當兩個指標互相矛盾時調節減小反饋系數或改變反饋網絡來解決。工作在高頻端的振蕩器,調試需要特別注意儀器和環境對振蕩回路的影響。

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

首先假設電容器完全放電,運算放大器的輸出在正電源軌上飽和。電容C開始從輸出電壓Vout通過電阻器R充電,其速率由RC <確定/ span>時間常數。

我們從RC電路的教程中了解到,電容器需要完全充電到Vout(+ V()在五個時間常數內。但是,只要運算放大器反相(-)端的電容充電電壓等于或大于同相端的電壓(運算放大器輸出電壓分數除以電阻R1和R2),輸出將改變狀態并被驅動到相反的負電源軌。

但是電容器一直快樂地向正電源充電(+ V(sat)),現在看到其板上的負電壓-V(sat)。輸出電壓的這種突然反轉導致電容器以RC時間常數再次指示的速率向Vout的新值放電。

運算放大器的反相端子達到新的負參考電壓后,-Vref在非反相端,運算放大器再次改變狀態,輸出被驅動到相反的供電軌電壓+ V(sat)。電容器現在看到其板上的正電壓,充電周期再次開始。因此,電容器不斷充電和放電,從而產生穩定的運算放大器多諧振蕩器輸出。

輸出波形的周期由兩個定時元件的RC時間常數決定。以及由R1,R2分壓器網絡建立的反饋比,用于設置參考電壓電平。如果放大器飽和電壓的正負值具有相同的幅度,那么t1 = t2并且給出振蕩周期的表達式變為:

可以從上面的等式中看出,運算放大器多諧振蕩器電路的振蕩頻率不僅取決于RC時間常數,但也反饋分數。

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k6666
LV.9
3
2021-04-15 14:01
@k6666
[圖片]首先假設電容器完全放電,運算放大器的輸出在正電源軌上飽和。電容C開始從輸出電壓Vout通過電阻器R充電,其速率由RC時間常數。我們從RC電路的教程中了解到,電容器需要完全充電到Vout(+V()在五個時間常數內。但是,只要運算放大器反相(-)端的電容充電電壓等于或大于同相端的電壓(運算放大器輸出電壓分數除以電阻R1和R2),輸出將改變狀態并被驅動到相反的負電源軌。但是電容器一直快樂地向正電源充電(+V(sat)),現在看到其板上的負電壓-V(sat)。輸出電壓的這種突然反轉導致電容器以RC時間常數再次指示的速率向Vout的新值放電。[圖片]運算放大器的反相端子達到新的負參考電壓后,-Vref在非反相端,運算放大器再次改變狀態,輸出被驅動到相反的供電軌電壓+V(sat)。電容器現在看到其板上的正電壓,充電周期再次開始。因此,電容器不斷充電和放電,從而產生穩定的運算放大器多諧振蕩器輸出。輸出波形的周期由兩個定時元件的RC時間常數決定。以及由R1,R2分壓器網絡建立的反饋比,用于設置參考電壓電平。如果放大器飽和電壓的正負值具有相同的幅度,那么t1=t2并且給出振蕩周期的表達式變為:[圖片]可以從上面的等式中看出,運算放大器多諧振蕩器電路的振蕩頻率不僅取決于RC時間常數,但也反饋分數。

多諧振蕩器調試的時候會出現一些寄生振蕩,因為電路的寄生參數而形成的正反饋而發生的異常振蕩狀態,可以發生在任何有源電路中(運放設計的多諧振蕩器就屬于有源電路的一種),電路一旦發生寄生振蕩,會影響正常工作,嚴重的時候會使電路設計功能完全失效。

電源具有很低的低頻內阻,出現低頻寄生耦合的幾率比較小,去耦電路會減弱電源的耦合干擾,但有時候存在電路耦合產生相移,加上供電電路的內部反饋環路,有可能使電路滿足振蕩調節而發生1Hz以下的超低頻寄生振蕩。消除的方法是增加RCL的值,或者參數調整改變相位條件,最終改變振蕩調節,使電路進入穩定態。

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k6666
LV.9
4
2021-04-15 14:01
@k6666
多諧振蕩器調試的時候會出現一些寄生振蕩,因為電路的寄生參數而形成的正反饋而發生的異常振蕩狀態,可以發生在任何有源電路中(運放設計的多諧振蕩器就屬于有源電路的一種),電路一旦發生寄生振蕩,會影響正常工作,嚴重的時候會使電路設計功能完全失效。電源具有很低的低頻內阻,出現低頻寄生耦合的幾率比較小,去耦電路會減弱電源的耦合干擾,但有時候存在電路耦合產生相移,加上供電電路的內部反饋環路,有可能使電路滿足振蕩調節而發生1Hz以下的超低頻寄生振蕩。消除的方法是增加RCL的值,或者參數調整改變相位條件,最終改變振蕩調節,使電路進入穩定態。

電路的器件分布參數、極間電容、接地電容等等都會引起寄生振蕩,消除方法是減小分布參數,采用體積更小的器件,縮短引線、改變器件的PCB排布,這樣處理后,寄生振蕩回路的頻率會變高,當頻率變高到器件的截止頻率外時,寄生振蕩會無法滿足正反饋條件而消失。PCB布局限制使得無法縮短的器件連線,可以在引線中串聯消振電阻,降低引線的Q值。

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

感謝樓主分享!!!

多諧振蕩由兩個部分構成:

  一個是,開關模塊,即,運放的反向輸入,引起輸入1時輸出0,輸入0時輸出1。

  一個是,RC充放電回路,它的反復充放電,使得運放的反向輸入端,在翻轉電壓附近來回振蕩。

  從而在運放輸出端得到方波。振蕩周期由R、C決定。T≈RF·Cln[(R1+2R2)/R1]。

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

學習路過,非常感謝提供參考資料

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

實際上是一個 RC 延時電路, 和一個帶正反饋的遲滯比較器.  R3, 和穩壓管都可以不要的.

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2021-08-05 18:47
@k6666
電路的器件分布參數、極間電容、接地電容等等都會引起寄生振蕩,消除方法是減小分布參數,采用體積更小的器件,縮短引線、改變器件的PCB排布,這樣處理后,寄生振蕩回路的頻率會變高,當頻率變高到器件的截止頻率外時,寄生振蕩會無法滿足正反饋條件而消失。PCB布局限制使得無法縮短的器件連線,可以在引線中串聯消振電阻,降低引線的Q值。

諧振電路的典型應用。感謝分析分享。

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