使用运算放大器的RC相移振荡器

作者：Pankaj Khatri

相移振荡器是一种产生正弦波输出的电子振荡器电路。它可以通过使用晶体管或使用运算放大器作为反相放大器来设计。通常，这些相移振荡器用作音频振荡器。在 RC 相移振荡器中，RC 网络产生 180 度相移，运算放大器产生另一个 180 度相移，因此产生的波反转 360 度。

除了产生正弦波输出外，它们还用于对相移过程提供重要的控制。相移振荡器的其他用途是：

在音频振荡器中
正弦波逆变器
语音合成
全球定位系统单位
乐器。

在我们开始设计 RC 相移振荡器之前，让我们更多地了解它的相位和相移。

什么是相位和相移？

相位是 360 度参考中正弦波的完整周期周期。一个完整的周期定义为波形返回其任意初始值所需的时间间隔。相位表示为该波形周期上的一个指向位置。如果我们看到正弦波，我们可以很容易地识别相位。

在上图中，显示了一个完整的波浪周期。正弦波的初始起点相位为 0 度，如果我们识别每个正负峰值和 0 点，我们将得到 90、180、270、360 度相位。因此，当一个正弦信号开始它的旅程而不是 0 度参考时，我们将其称为与 0 度参考的相移微分。

如果我们看到下一张图像，我们将确定 相移正弦波的 外观。..

在这张图片中，出现了两个交流正弦信号波，第 一个绿色正弦波的相位为 360 度， 而红色的正弦波与绿色信号的相位相差 90 度。

这种相移可以使用简单的 RC 网络来完成。

RC相移振荡器

一个简单的 RC 相移振荡器提供 60 度的最小相移。

上图显示了一个单极相移 RC 网络或梯形电路，它使输入信号的相位偏移等于或小于 60 度。

理想情况下，RC 电路的输出波的相移应该是 90 度，但实际上它大约是 90 度。60度，因为电容不理想。RC网络相位角的计算公式如下：

φ = tan -1 （Xc / R）

其中，Xc 是电容器的电抗，R 是连接在 RC 网络中的电阻器。

如果我们级联 RC 网络，我们将获得 180 度相移。

现在要创建振荡和正弦波输出，我们需要一个有源组件，即 反相配置的晶体管或运算放大器。

为什么将运算放大器用于 RC 相移振荡器而不是晶体管？

使用晶体管构建 RC 相移振荡器有一些限制：

它仅对低频稳定。
RC 相移振荡器需要额外的电路来稳定波形的幅度。
频率精度并不完美，也不能免受噪声干扰。

不利的加载效应。由于级联形成，第二个极点的输入阻抗会改变第一个极点滤波器的电阻器电阻特性。级联的滤波器越多，情况越糟糕，因为它会影响计算的相移振荡器频率的准确性。

由于电阻和电容两端的衰减，每一级的损耗增加，总损耗约为输入信号的 1/29。
随着电路在 1/29 处衰减，我们需要恢复损失。

使用运算放大器的 RC 相移振荡器

当我们将运算放大器用于 RC 相移振荡器时，它起到了反相放大器的作用。最初，输入波已经进入 RC 网络，因此我们得到了 180 度的相移。并且，RC 的这个输出被馈送到运算放大器的反相端。

现在，我们知道运算放大器在用作反相放大器时会产生 180 度的相移。因此，我们在输出正弦波中得到了 360 度的相移。即使在变化的负载条件下，这种使用运算放大器的 RC 相移振荡器也能提供恒定的频率。

所需组件

运算放大器 IC – LM741
电阻器 – （100k – 3nos， 10k – 2nos， 4.7k）
电容器 – （100pF – 3nos）
示波器

电路原理图

使用运算放大器模拟 RC 相移振荡器

RC 相移振荡器提供准确的正弦波输出。在最后的仿真视频中可以看到，我们已经将示波器的探头设置为电路的四个阶段。

在这里，反馈网络提供 180 度的相移。我们从每个 RC 网络中获得 60 度。并且，剩余的 180 度相移由反相配置中的运算放大器产生。

要计算振荡频率，请使用以下公式：

F = 1 / 2πRC√2N

使用运放的RC相移振荡器的缺点是不能用于高频应用。因为只要频率太高，电容器的电抗就会很低，它会起到短路的作用。