一种新型文氏桥正弦波发生器的设计_何勇
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第 2期
何 勇 , 等 :一种新型文氏桥正弦 波发生器的设计
19 5
环路增益 , 其整个环路增益可表示为 :
T(j ω)=3
1 +R f2 +j(ω/ω0
/R f1 -ω0
/ω)
式中 :ω0 =1 /RC .
图 1 文 氏桥振荡器及其在 Rf2/ Rf1 =2 时的环路增益 Fig.1 Wien bridge oscillator and its loop gain when Rf2/ Rf1 =2
第 35 卷
到参考电压 V ref , 并引入电容 C6 , 使高于截止 频率 ω=R17 +R18 的电 源 噪 声 以 -20 dB /dec 的 速 率
R17 R18 C6 衰减 .
将 C8 和 R 22 以阻抗形式表示 , 则 :
V
fb
(s)=-Z1 R 19
V
ref
(s)-Z 1 R 20
Abstract :A study on the f eedback netw o rk of wien bridge osci llato r i s described .T o realize the dy namic cont rol of t he neg ative f eedback gain of the w ien bridge o scillat or , a preci sion rectif ier and a PI reg ulato r are used to feedback the out put sig nal i nt o the gat e of a N -Channel depletio n m ode M OSF ET .Also , the e rror pro duced by t he gain-bandw idth product (GBP)of t he v olt age feedback amplif ier (VF A)has been analyzed and the ci rcui t has been sim ulat ed .By using a P I regulat or w hich w o rking as a phase-lag com pensatio n element , t he anti-jamm ing perf ormance is improved and the st abilit y of t he sy stem is enhanced , so the sine w ave generat or is suit able f or applicatio ns wi th severe w o rking conditi ons or stabi li ty requirement s . Key words:w ien bridge o scillat or ;precision rectif ie r ;P I regulato r ;gai n-bandw idth product (GBP)
在工程实践中 , 常在放大电路的负反馈网络中引 入非线性元件来自动调整反馈的强弱 , 以避免因振幅 的增长而使放大器件工作到非线性区域 .在以往的工 程实践中 , 常用图 2 所示的两种方案来达到这一目的 .
自动地稳定在二极管导通的某个中间电平上 , 正好 满足 R f 2 /R f1 =2 , T(j ω0 )=1 .图 2(b)利用结型场效 应管工作在可变电阻区来调整负反馈增益 , 其控制 原理与图 2(a)类似 .
ω
(5)
系统 刚 上电 时 V rec ※0 , 而 对 于 直 流 分 量 有
lim
ω※0
H 2(j ω) ※∞, 故运放 U 2B 工作于非线性区域 ,
其输出 Vfb 达到饱和 .
此时 , 对图 5 所 示的文氏桥振 荡器 , 有最 大的
环路增益 , 系统因此而具有很好的起振特性 .
取 R1 R3 +R4 >Ron , R2 R3 +R4 >Ron(R on 为 此时漏源之间的沟道电阻), 则 M OSFET 工作于可
n
=1 2
μn Cαx
W L
,
其中
:μn 为沟
道中载流子的迁移率 ;Cαx 为单位面积的栅极电容 ;
W 为垂直电流流动方向上的沟道宽度 ;L 为有效沟
道的长度 .
在电路设计时 , 取 R5 =R6 =R , C1 =C2 =C , 当 R1 R3 +R4 >Ron 和 R2 R3 +R4 >Ron 时 , 可忽略 Vfb 对文氏桥振荡器的负反馈网络的影响 , 近似认为 其环路增益为 :
V
rec(s)
(1)
式中
:Z
1
=1 sC8
+R 22
.
在电 路 设 计 时 , 取 R19 =R20 , 则 式(1)可 简
化为 :
V
f
b
(s)=-Z 1 R 19
[
V
ref
(s)+V
rec(s)]
(2)
令
V
fb1
(s)=-Z 1 R 19
V
ref
(s)
V
fb2
(s)=-Z1 R 19
V
rec(s)
关键词 :文氏桥振荡器 ;精密整流器 ;PI 调节器 ;有限增益带宽乘积(GBP) 中图分类号 :T N 752 文献标志码 :A
A Novel Design of Wien Bridge Sine Wave Generator
H E Y ong , C HEN Lei
(College of Mechanical Engineering , Donghua University, Shanghai 201620 , China)
一种新型文氏桥正弦波发生器的设计＊
何 勇 , 陈 磊
(东华大学 机械工程学院 , 上海 201620)
摘 要 :对文氏桥正弦波发生器的反馈网络进行研究, 利用精密整流器和 P I 调节器将系统的输出信号反馈到一个 N
沟道耗尽型 M OSF ET 的栅极, 以实现对文氏桥振荡器的负反馈增益的动态控制 .另外分 析了文氏桥振荡器的实际振 荡频率受 VFA 型运放(Voltage Feedback A mplifier)的有限增益带宽乘积(G BP)的影响而产生的误差 , 并对电路进行 了仿真 .由于 PI 调节器对系统引入的滞后校正作用 , 增加了系统的稳定性与抗干扰性 , 使得新型反馈网络更适用于工 作环境恶劣或对稳定性要求较高的应用场合.
变电阻区 .
图 5 文氏桥振荡器 Fig.5 Wien bridge oscillator
Id
=K
n[
2(V g s
-V th)Vds
-V
2 ds
]
Ron
= K
n[
2(V
gs
1 -Vth )-Vd s]
式中 :Id 为漏极电流 ;Vg s为栅源电压 ;Vth 为开启电
压 ;Vds为漏源电压 ;K
engineering practice
图 2(a)中应用一个二极管 -电阻器网络来控 制振荡电路的环路增益 .信号较小时 , 二极管截止 , R2 在反馈网络中几乎 不起作用 .取 R3 /R 1 >2 , 则
T(jω0 )=
1 +R3 R1
3 >1 , 此时振荡不断累积 .随着
振幅的增加 , 两个二极管以交替半周方式导通 , 取
1 新型正弦波发生器设计
为了克服以上缺陷 , 本文提出一种新的正弦波 发生器设 计 方 案 .该 方 案 将 一 个 N 沟道 耗 尽 型 MOSF ET 引入放大电路的 负反馈网 络 , 以控 制文 氏桥 振 荡 器 的 环 路 增 益 .系 统 控 制 框 图 如 图 3 所示 .
图 3 系统控制框图 Fig.3 System control diagram
(R2
R3 )/R1
<2 , 则
T(j ω0 )=
1 +R2 R3 R1
3<
1 , 此时振荡衰减 .然而 , 在此极限到达之前 , 振幅会
图 4 PI 调节器 Fig.4 PI regulator
图 4 所示的 PI 调节器 , 使用 R17 和 R18 分压得
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东华大学学报(自然科学版)
T(j ω)=31++jR(4ω//(ωR0
3 +R -ω0
on) /ω)
(6)
然而 ,系统的实际振荡频率由于受到运放的有限
增益带宽乘积(GBP)的影响而略低于理论值
ω[ 3-4] 0
.
图 6 低通滤波器 Fig.6 Low-pass filter
图 6 所示为一个带增益的低通滤波器 , 其传递
函数为 :
但是图 2(a)的方案存在一个严重的缺点 , 其振 幅峰值 Vom 对二极管正向电压降非常敏感 , 元件老 化 、温 度波动等 因素极易 使输出波 形出现较 大失 真 .图 2(b)的方案则利用 N -JFE T 作为稳定元件 以克服这一缺陷 , 但由于二极管正偏与反偏时的不 一致性 , 使得负反馈网络在输出波形的正半周与负 半周会有不同的增益 , 导致波形出现失真[ 5] .
当 T(jω)<1 时 , 这个电路的极点均 位于复平 面的左半平面内 , 系统稳定 ;当 T (j ω)>1 时 , 极点 位于复平面的右半平面内 , 任 何频率为 ω0 的 扰动 会被不断地放大 , 直到 达到运放的饱和极限为止 . 根据巴克毫森准则(Barkhausen crit erio n), 振荡发 生于频率 ω=ω0 处 .
作用相当于对系统的滞后校正 , 以牺牲系统的快速
