单运放单电源供电方波振荡电路

基于运算放大器的单电源供电方波振荡器,属于弛张振荡器(relaxation oscillator)类型。

电路的核心是运放作为施密特触发器(比较器 with hysteresis),通过RC网络的充放电控制振荡频率。因为主要由一个带迟滞的施密特触发器电路构成,上面电路也叫 hysteresis oscillator。

上图电路 R2=R3=R4, R1 和 C1 构成 RC 网络。

工作过程分为两个阶段:

输出高电平阶段(V₀ ≈ VCC)

  • 上限阈值电压 UT 为 2/3VCC, 也就是同相引脚电压,缩写为 V+
  • 阈值电压 UT 由R2 和 R3 并联,再和 R4 串联构成的电阻分压网络决定。输出电压为高电平时 R2 和 R3 相当于并联。
  • 当运放输出为高电平(接近VCC)时,反相输入(-)的电压通过R1对电容C1充电。电容电压(V_C)从初始值(如0V)指数上升,充电目标为上限阈值阈值电压 UT。
  • 当电容电压V_C(即V₋,反相引脚电压)上升到超过上限阈值(HT ≈ 2VCC/3)时,运放输出翻转为低电平(V₀ ≈ 0V)

输出低电平阶段(V₀ ≈ 0V)

  • 下限阈值电压 LT 为 1/3VCC, ,也就是反相引脚电压,缩写为V-
  • 阈值电压 LT 由R2 和 R4 并联,再和 R3 串联构成的电阻分压网络决定。输出电压为低电平时 R2 和 R4 相当于并联。
  • 当运放输出为低电平(接近0V)时,电容C1通过R1放电,电容电压V_C指数下降,放电目标为 1/3VCC。
  • 当电容电压V_C(即V₋,反相引脚电压)下降到超过下限阈值(LT ≈ 1VCC/3)时,运放输出翻转为高电平(V₀ ≈ VCC)

面包板上搭建的实验电路:

运放LM358P、LF353 等常见运放皆可,供电电压我使用 VCC=6V。

上电瞬间波形图:

CH1(黄色):接运放输出引脚。在高低电平之间来回切换。

CH2(青色):接运放反相输入引脚。电容充电、放电两个过程循环。

CH3(紫色):接运放同相输入引脚。在 2V~4V 之间跳变,构成上下限阈值电压。

可见,上电一瞬间,由于电容 C1 两端电压不能突变,其上电瞬时电压为0,低于同相引脚电压,导致运放输出高电平。同相引脚电压,即阈值电压,在 2V~4V 之间跳变,基本符合 1VCC/3 和 2VCC/3 的计算。当反相引脚电压(电容充电)高于上限阈值电压 UT 时,运放输出电压由高电平翻转为低电平;当反相引脚电压(电容放电)低于下限阈值电压 LT 时,运放输出电压由低电平翻转为高电平

振荡循环由上述过程重复构成:输出高→电容充电→触发翻转→输出低→电容放电→触发翻转→输出高,形成连续方波。

 

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