什么是RC相移振荡器？什么是文氏桥振荡器？

之前介绍过：由电阻、电容组成的RC电路可以做成滤波器。滤波器对不同频率信号施加影响，在改变信号幅度的同时，也改变了信号的相位。就是这个“相移”特性，可以在振荡器中派上用场。

一、RC电路的“相移”特性（Phase shift）

我们构建简单的RC电路，输入交流信号，查看输出波形如下：

图1-RC“相移”特性（Phase shift）

可以看到R作为输出（黄色），相比输入信号（蓝色），它有明显的相移（滞后），幅度也有所改变。

通过阻抗公式计算如下，幅度就是分压，相位上就是阻抗的实部与虚部之比：

图2-输出信号阻抗分压和相位计算

以上计算是针对某一个特定频率的信号，如果要描述RC电路对各个频率信号的影响，那就要使用频谱图查看：

图3-RC频谱图（高通滤波器）

上述频谱图中，上、下两个图分别描述对不同频率信号幅度的影响，以及对相位的影响。可见，RC电路是一个高通滤波器。

二、RC相移振荡器（RC Phase Shift Oscillator）

从前一篇文章所述，振荡器模型由放大器和反馈网络组成：

图4-振荡器模型

它遵循Barkhausen（巴克豪森）准则：

• 回路增益≥1；
• Vin/Vfeedback相位一致，形成正反馈；

假设经由放大器，信号相位改变180°，那么反馈网络所需相移也是180°。这个“相移”操作就可以由RC电路完成。如果一个RC电路无法所需角度，那就由多个RC电路级联而成：

图5-单个RC电路相移效果和多个RC电路级联相移效果

理论上，单个RC电路所能达到的相移最大是90°（R很小，C很大的情况）。要完成180°相移，一般设置3个RC电路级联，每个RC电路完成60°相移，共计180°。

我们来看一下，由RC和NPN三极管构建的RC振荡器电路如下：

图6-RC相移振荡器

这和前一篇所说的电容/电感三点式振荡器很像，只是将LC部分改成了3个RC级联组成的相移网络。

对于这种电路，振荡频率为：

图7-RC相移振荡器的振荡频率

其中，N表示RC电路的级联个数。

三、文氏桥振荡器（Wien Bridge Oscillator）

文氏桥由两个RC电路组成，其中是一个RC串联电路，形成高通滤波器，另一个是RC并联电路，形成低通滤波器：

图8-文氏桥电路

信号先经过高通滤波器，过滤掉低频信号；再经过低通滤波器，过滤到高频信号；最后，只有一个（区域）特定频率的信号在输出端得以保留，且其相位不变：

图9-文氏桥电路的频率响应特性

文氏桥振荡器，由文氏桥电路加上一个同相运放组成：

图10-文氏桥振荡器

运放的同相输入端由文氏桥电路阻抗分压而成，在R1=R2，C1=C2情况下，Zp/(Zp+Zs)=1/3。由此设置运放电阻R3和R4，满足回路增益≥1即可。

实际上，文氏桥振荡器刚出现时，R4由钨丝灯代替：

图11-经典文氏桥振荡器

钨丝灯实现了自动增益调整的功能：刚开始上电钨丝灯电阻小，运放增益大，具有起振效果；随着运行时间变长，钨丝灯发热，电阻上升，运放增益下降，获得稳定的振荡波形。

最后让我们来看一个文氏桥振荡器的仿真效果：

图12-文氏桥振荡器的仿真效果

四、总结

今天介绍了以RC为基础的振荡器，相比于LC振荡器，由于没有使用电感，它克服了电感的体积大、成本高的缺点，在低频信号中得以广泛应用。