基于運算放大器的單電源供電方波振蕩器,屬于弛張振蕩器(relaxation oscillator)類型。
電路的核心是運放作為施密特觸發器(比較器 with hysteresis),通過RC網絡的充放電控制振蕩頻率。因為主要由一個帶遲滯的施密特觸發器電路構成,上面電路也叫 hysteresis oscillator。
上圖電路 R2=R3=R4, R1 和 C1 構成 RC 網絡。
工作過程分為兩個階段:
輸出高電平階段(V? ≈ VCC):
- 上限閾值電壓 UT 為 2/3VCC, 也就是同相引腳電壓,縮寫為 V+
- 閾值電壓 UT 由R2 和 R3 并聯,再和 R4 串聯構成的電阻分壓網絡決定。輸出電壓為高電平時 R2 和 R3 相當于并聯。
- 當運放輸出為高電平(接近VCC)時,反相輸入(-)的電壓通過R1對電容C1充電。電容電壓(V_C)從初始值(如0V)指數上升,充電目標為上限閾值閾值電壓 UT。
- 當電容電壓V_C(即V?,反相引腳電壓)上升到超過上限閾值(HT ≈ 2VCC/3)時,運放輸出翻轉為低電平(V? ≈ 0V)
輸出低電平階段(V? ≈ 0V):
- 下限閾值電壓 LT 為 1/3VCC, ,也就是反相引腳電壓,縮寫為V-
- 閾值電壓 LT 由R2 和 R4 并聯,再和 R3 串聯構成的電阻分壓網絡決定。輸出電壓為低電平時 R2 和 R4 相當于并聯。
- 當運放輸出為低電平(接近0V)時,電容C1通過R1放電,電容電壓V_C指數下降,放電目標為 1/3VCC。
- 當電容電壓V_C(即V?,反相引腳電壓)下降到超過下限閾值(LT ≈ 1VCC/3)時,運放輸出翻轉為高電平(V? ≈ VCC)
面包板上搭建的實驗電路:
運放LM358P、LF353 等常見運放皆可,供電電壓我使用 VCC=6V。
上電瞬間波形圖:
CH1(黃色):接運放輸出引腳。在高低電平之間來回切換。
CH2(青色):接運放反相輸入引腳。電容充電、放電兩個過程循環。
CH3(紫色):接運放同相輸入引腳。在 2V~4V 之間跳變,構成上下限閾值電壓。
可見,上電一瞬間,由于電容 C1 兩端電壓不能突變,其上電瞬時電壓為0,低于同相引腳電壓,導致運放輸出高電平。同相引腳電壓,即閾值電壓,在 2V~4V 之間跳變,基本符合 1VCC/3 和 2VCC/3 的計算。當反相引腳電壓(電容充電)高于上限閾值電壓 UT 時,運放輸出電壓由高電平翻轉為低電平;當反相引腳電壓(電容放電)低于下限閾值電壓 LT 時,運放輸出電壓由低電平翻轉為高電平
振蕩循環由上述過程重復構成:輸出高→電容充電→觸發翻轉→輸出低→電容放電→觸發翻轉→輸出高,形成連續方波。