在所有的低頻振蕩器配置中，文氏橋必然是友好、容易使用的一種。它使用標準的器件，提供很好的正弦波形，對于它周邊的運算放大器具有很好的免疫性。然而，它容易被誤解，過于簡化到讓設(shè)計師認為并沒有原來想象的那么好。為了獲得我們可信賴的朋友們的理解，還是回到基本的知識。

　　1. 電路

　　圖1顯示了標準的文氏橋振蕩器。在給定的頻率下，如果電路具有比單位增益更大的增益，并且對輸入沒有相移，將在反饋網(wǎng)絡(luò)和返回到輸入上產(chǎn)生振蕩。

　　2. 考慮相移

　　看看圖1中的電路，R1和C1產(chǎn)生相對于輸出電壓的正相移電流。當這個電流達到R2和C2，這些器件將產(chǎn)生方向相反的相移。在某個頻率上因R1和C1導致的一個相移將被R2和C2產(chǎn)生一個等量的、相反的相移，凈相移為0。這個電路將由產(chǎn)生振蕩的危險。

　　從算術(shù)傾向上來看，可以考慮由R1、C1、R2和C2組成的網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移函數(shù)。因為一個運放的輸出阻抗會很低，而輸入阻抗很高，因此提供文氏網(wǎng)絡(luò)(分別在上面和下面由R1、C1和R2、C2組成的阻抗分頻器組成)的轉(zhuǎn)移函數(shù)相對容易。在喝著一杯濃咖啡的一個下雨的周末下午，計算出了下面的轉(zhuǎn)移函數(shù)：

　　簡言之(如果可能的話)，虛部“j”表示轉(zhuǎn)移函數(shù)種的90度相移(正或負)。非“j”項的實部代表了轉(zhuǎn)移函數(shù)中的零相移。隨著實項和虛項的大小改變，結(jié)果相移將發(fā)生改變。從公式1中可以看出：

　　分母的實部為0，僅留下在分子和分母中的虛部。用jw除以分子和分母將沒有虛部，因此沒有相移。因此，在給定的頻率下，存在零相移的條件。

　　3. 考慮增益

　　一旦虛部和實部之間的“較量”停止，諧振頻率確定，轉(zhuǎn)移函數(shù)為：

　　現(xiàn)在，為大大地簡化，使R1＝R2、C1＝C2，在諧振時從輸出到輸入的轉(zhuǎn)移函數(shù)為：

　　為滿足振蕩的要求(零相移和單位增益)，要求運放電路增益為3，以克服因為文氏橋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的衰減。從另外一個角度來看，為保持運放的兩個輸入電壓相同，從輸出到反向輸入的電阻網(wǎng)絡(luò)需要提供三倍的衰減以匹配文氏網(wǎng)絡(luò)的衰減。

　　這在原理上非常方便，但是在實際上幾乎毫無用處。我們可以獲得電阻值很準確的電阻，但是要獲得準確的電容則比較難。要獲得大于20%的電容，將增加設(shè)計預算，因此現(xiàn)在考慮不同的電容值對電路性能的影響是很明智的。

　　4. 考慮電容值

　　圖2所示的簡單數(shù)據(jù)表展示了文氏橋網(wǎng)絡(luò)的值以及它們對增益的影響。單元B7是公式3中表示的轉(zhuǎn)移函數(shù)，等式2(以kHz為單位)表示了單元B12，單元B9為單元B7的倒數(shù)。如果C1＝C2+10nF，R1＝R2＝10kΩ，電路將在1.59kHz振蕩，運放增益為3。這個電路的實際測量支持了這個原理。

　　然而，上面的結(jié)果是用公差范圍為±10%的電容得到的?？焖倭私馄骷悇e顯示，設(shè)計用于一般的去耦合的非常相似的電容公差在-20%/+80%。如果是這樣，且C1=8nF(10nF-20%)以及C2=18nF(10nF+80%)，則電路需要4.24的增益。將這些器件插入電路將意味著電路不具有所要求的增益(我們的電路只提供3倍增益)，并且電路不會振蕩?；蛘?，如果C1為高C2為低，電路將具有太高的增益，而且電路會振蕩，但是會有很大的失真。除此之外，一旦電路振蕩，由于電容很大的容差，頻率不正確。理想的電路是那些剛好偏置到振蕩點的電路。更低的增益，電路將停止振蕩，更高的增益將產(chǎn)生失真。

　　5. 在反饋環(huán)路中增加一個JFET

　　如圖3所示，在反饋網(wǎng)絡(luò)中增加一個JFET提供了解決這個問題的方案，因為它能在較小的范圍內(nèi)改變增益，確保一致的振蕩。在啟動時，F(xiàn)ET的柵極電壓為零，因此漏原極阻抗非常低。這使得增益大于三(使電路啟動)。一旦振蕩加大，二極管對輸出的負轉(zhuǎn)換進行整流，對JFET柵極提供一個關(guān)斷電壓。這降低了增益，電路穩(wěn)定下來進入穩(wěn)定的振蕩。輸出的幅度在兩個二極管上的壓降以及JFET的關(guān)斷電壓。然而，JFET的柵極關(guān)斷電壓有很大的變化，這意味著電路的輸出電壓變化相當大。選擇Q1是因為它具有非常低的柵極關(guān)斷電壓，這樣保證電路之間的輸出電壓變化很小，但是這種情況通常并不能產(chǎn)生的失真振蕩器。這個電路依然能振蕩，但是有很大的失真，無論失真如何，F(xiàn)ET都將保持振蕩。因此，F(xiàn)ET應(yīng)該僅僅用作“調(diào)節(jié)”功能以使電路運行，而不應(yīng)用作低劣的電路設(shè)計的“遮羞布”。

　　6. 在反饋路徑中插入一個可變電阻

　　除非可以容忍復雜的電路設(shè)計，確保電路能啟動并持續(xù)振蕩，且沒有失真(因為很高的增益)的簡單方法是在反饋路徑中插入一個可變電阻。然后調(diào)解電阻到電路剛好振蕩。這可以提供一個失真很小的干凈正弦波。

　　然而，某些工程師將可變電阻看成是一種簡單的設(shè)計解決方案，但耗時而且令人頭痛。它需要時間和人力來調(diào)整可變電阻，使電路很難并且因此生產(chǎn)成本很高。

　　理想的解決方案是插入電子可變電阻，或者數(shù)字電位器(digipot)。在圖3中，用數(shù)字電位器替換VR1，可以提供一種低成本、小、簡單的解決方案，使電路可以在生產(chǎn)時進行調(diào)整，確保的失真。它可以用作一個可變電阻，或者與其它電阻串聯(lián)或并聯(lián)來提供增益的粗調(diào)或精調(diào)。一旦電路振蕩起來，JFET負責增益的精調(diào)，以使電路運行起來。

　　圖3中利用了MAX5467 10kΩ數(shù)字電位器使電路性能得到增強。因為這個器件具有兩個浮動管腳，可以不需要以地為參考。因此，簡單地通過結(jié)合電阻R1或R2，或者兩者，它可以用來調(diào)整頻率以及電路增益。一個簡單的數(shù)字接口意味著電路可以手動調(diào)節(jié)，而不需要微控制器。

　　實際的測試證明這個原理是正確的。兩個10k數(shù)字電位器與R1和R2串接，觀察發(fā)現(xiàn)工作頻率可以從833Hz調(diào)整倒1.6kHz。當在VR1處插入一個數(shù)字電位器，如所期望的那樣，電路的輸出可以從直流調(diào)整到純正弦波，當電路增益發(fā)生變化時，正弦波將產(chǎn)生失真。圖4顯示了采用MAX5467數(shù)字電位器(分別標記為IC2、IC3和IC4)的終電路。

　　圖5顯示了這個電路的電源。用5V對電路供電。使用一個BC547晶體管來從這個電源獲得+2.5V和-2.5V的電壓軌。用這些電壓軌對運放和數(shù)字電位器供電，而電路的其它部分參考到0V。圖6分別顯示了頻率和增益調(diào)整電路。圖4種的IC2和IC3共享相同的數(shù)字接口，因此可以同時增加或減少。IC4用來提供一個獨立的增益調(diào)整電路。數(shù)字電位器的管腳如何連接無所謂。

　　本文小結(jié)

　　總之，文氏橋振蕩器在原理上易于理解，但是電路的實際應(yīng)用可能使工程師很沮喪。在電路的三個關(guān)鍵區(qū)域插入一個數(shù)字電位器能確保非常穩(wěn)定的運行，以及工廠/用戶的可調(diào)節(jié)性。（美信集成產(chǎn)品公司）