文氏电桥振荡电路原理详解及Multisim仿真
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Author: Jackie Long
文氏电桥振荡电路详解
文氏电桥振荡电路（Wien bridge oscillator circuit） ，简称“文氏电桥” ，是一种适于产生 正弦波信号的振荡电路之一， 此电路振荡稳定且输出波形良好， 在较宽的频率范围内也能够 容易调节，因此应用场合较为广泛。 如下图所示为基本文氏电桥振荡电路：
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Au uthor: Jackie Lo ong
实际应用中 中，我们也可 可能需要单电源 源供电的振荡 荡电路，如下 下图所示：
R6
A
C2
R2
VCC
+ OP R1 C1 ‐ R4 C3 R3 R5 D1 D2
9
All rights reserved, NO Spreading without Authorization
Author: Jackie Long
1 R2 47kΩ
C2 10nF
4
R1 47kΩ
C1 10nF
Au uthor: Jackie Lo ong
注意纵轴单 单位为 mV（毫伏） ，此时 时电路起振后 后不断地放大 大导致幅度增 增加（此图只是一 部分 分） ，但由于放 放大倍数太小 小，因此达到 到大信号电平 平需要更长的 的时间。 当 R3=20K 时，放大倍数 时 数为 3 倍，输 输出波形如下 下图所示：
注意纵轴单 单位为 pV（皮 皮伏） ，放大倍 倍数太小，一 一直都处在小 小信号状态，什么时候达 达到大 信号 号状态也无从 从得知，因此 此这里就没图 了，不好意思 思。 当 R3=15K 时，放大倍数 时 数为 2.5 倍（ （负反馈占优 优势） ，如下图 图所示：
4
8 3
3
R1 47kΩ Ω
U1A
1
0
R3
2
10kΩ
4
LM358 8D VEE VEE R4 30kΩ R5 47kΩ 5 -12.0V D1 D2 2 1 4
其输出波形 形如下图所示 示：
下图为局部 部放大的波形 形图，可以看 到，此时的输 输出波形不再 再有失真。
6
1 2π R R C C 2
1
也可以这样理解： 电路刚上电时会包含频率丰富的扰动成分， 这些扰动频率都将会被放 大 3 倍，随后再缩小 3 倍，依此循环，只有扰动成分的频率等于 f0 时，电路将一直不停地
1
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C2 R2
+ R1 C1 R3 R5 OP ‐ R4 D1 D2
uo
我们的修改 改思路是这样 样：当电路开始 始振荡时保证 证放大倍数大 大于 3，这样 样可以使得电路容 易起 起振，而当电 电路的振荡幅度增大到某个 个程度时，将 将其放大倍数 数自动切换为 为小于 3，这 这样就 能限 限制振荡的最 最大幅度，从 从而避免振荡波 波形出现削波 波失真。 这里增加了 了 R5、D1、D2 D ，当振荡信 信号比较小时 时，二极管没 没有导通，因 因此 R5、D1、D2 支路 路相当于没有 有，因此放大 大倍数大于 3， ，而当振荡信 信号比较大时 时，二极管导 导通，相当于 于 R5 与R R4 并联，这样 样放大倍数就 就会小一些 （合理设置 R5 R 的阻值，可 可以使其放大 大倍数小于 3） 。 我们用下图 图所示的电路 路参数进行仿 真：
其中，R1、R2、C1、C2 组成的 RC 串并网络将输出正反馈至同相输入端，R3、R4 则将 输出负反馈至运放的反相输入端，电路的行为取决于正负反馈那一边占优势（为便于分析， 通常都假设 R1=R2=R 且 C1=C2=C，当然这并不是必须的） 。 可以将该电路看作对 A 点输入（即同相端电压）的同相放大器，因此该电路的放大倍 数如下：
10
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Au uthor: Jackie Lo ong
下图也是一 一种稳幅电路 路，如下图所示 示，读者可自行分析：
7
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Author: Jackie Long
我们用下图所示的电路参数进行仿真：
VCC 12.0V VCC
8 3
3
百度文库
R1 kΩ 47k
U1A
1
0
R3 10kΩ
4
2
LM35 58D
4
VEE VEE
R4 18kΩ
-12.0V D1 1 6 R5 27 7kΩ D2
从原理上很 电路输出波形 很容易看出， 形的幅度与二 二极管的正向 向压降有很大 大的关系， 我们可 我 以用 用下图所示电 电路来摆脱这 这个问题：
VCC 12.0V VCC
8 3
U1A
1
0
R3
2
3
10kΩ
4
LM358D VEE VEE
6 Q1
R5 47kΩ 7 C3 2µF 0
-12.0V 2
R4 19kΩ D1
R6 1MΩ
N 沟道 JFET 的阀值电压 VTH 为负压，当 VGS=0 时（即电路刚上电时） ，源‐漏导通而将 R5 短接到地，R5 与 R3 并联再与 R4 组成负反馈，此时电路的放大倍数约为 3.3（大于 3） ，电 路开始起振，振荡的幅度也会越来越大；当输出负压足以使 VGS<VTH 时，JFET 截止，此时电 路的放大倍数约为 2.9（小于 3） ，此电路的输出幅值约为 JFET 的阀值电压（负压）加一个二 极管压降，即 VTH+VD，其输出波形如下图所示：
Au uthor: Jackie Lo ong
振荡 荡下去，也就 就是说，频率 率为 f0 的成分 分既不会因衰 衰减而最终消 消失，也不会 会因一直不停 停放大 而导 导致运放饱和 和而失真，相当于此时形 成了一个平衡 衡电桥。 但是这个电 电路的实际应 应用几乎没有 ，因为它对器 器件的要求非 非常高，即 R R4/R3 必须等 等于 2 （也 也就是放大倍 倍数必须为 3） ，只要有一 一点点的偏差 差，电路就不 不可能稳定地 地振荡下去，因为 元件 件不可能十分 分精确，就算可以做到，受 受到温度、老 老化等因素，电路也可会 会出现停振（放大 倍数 数小于 3）或失真（放大倍 倍数大于 3） 的情况。 我们用下图 图所示的电路 路参数进行仿 真：
uo
在单电源供 供电系统中，我们增加了电 电阻 R6 与电 电容 C3，电阻 阻 R6 的值通常 常与 R1 相同 同，这 样两 两者对直流正 正电源 VCC 分压，则有 分 A 点的电位为（VCC/2） ，再 再利用电容 C C3 的“隔直 直流通 子制作站》微 交流 流”特性，更 更多精彩文章可关注《电子 微信订阅号 dzzzzcn d ，使 R4（R5）引入直 流全 全负反馈，此 此时相当于一个电压跟随器 器，因此输出 出静态时输出 出电压为 VCC C/2，此时电路的 直流 流通路等效如 如下图所示：
2 C1 10nF R2 47kΩ C2 10nF VCC C 12.0V VCC V 0 R R3
2 8 3
3
R1 47kΩ
VCC
12.0V VC CC R5 5 20 0kΩ 6 R6 6 4.7 7kΩ 5 R7 7 4.7 7kΩ 7 R8 8 20 0kΩ VE EE VEE
U1A
1
10kΩ
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Au uthor: Jackie Lo ong
把局部放大 大后如下图所 所示，注意纵轴 轴单位
可以看到，电路的放大倍数越大，则 则电路越容易 易起振，但只 只要放大倍数 数超过 3，则输出 形都将出现削 削波失真，如果放大倍数设 设置恰好为 3，则仿真时 时间要等很久 久才会有结果 果。实 波形 际用 用器件搭电路 路时，要做到 到放大倍数为 3.00000XXXX 可真不是件 件容易的事. 们有必要对其 为了让电路 路更容易应用于实践，我们 其进行优化，如下图所示 示：
2
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Au uthor: Jackie Lo ong
当 R3=21K 时，放大倍数 时 数为 3.1 倍， 输出波形如 如下图所示：
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Au uthor: Jackie Lo ong
2 C1 10 0nF R2 47kΩ C C2 10nF VCC 12.0V VCC
2 C1 10nF R2 47kΩ
C2 10nF
3
R1 4 47kΩ
VCC 12. 0V VCC
8 3
U1A A
1
0
R3 1 10kΩ
1
4
2
LM M358D
4
VEE VEE
R4 30kΩ
-12.0V
当 R4=100K 时，放 放大倍数为 11 1，输出波形 形如下图：
当 R4=30K 时，放大倍数 时 数为 4，输出 出波形如下图 图：
4
5 10nF 10kΩ
R3
3
2
0
LM358D
Au uthor: Jackie Lo ong
可以看到，输出正弦波 波是以 6V（即 即 12V 的一半 半）作为中点 点的。 也有如下图 图所示相似的电路，读者 可自行仿真， ，原理是一致 致的。
2 C1 C 1 10nF R2 47kΩ Ω C C2 10 0nF VCC V 12.0V VCC
1
可以证明，当放大倍数小于 3 时（即 R4/R3=2） ，负反馈支路占优势，电路不起振；当 放大倍数大于 3 时，正反馈支路占优势，电路开始起振并不是稳定的，振荡会不断增大，最 终将导致运放饱和，输出的波形是削波失真的正弦波。 只有当放大倍数恰好为 3 时，正负反馈处于平衡，振荡电路会持续稳定的工作，此时输 出波形的频率公式如下所示：
4
LM358D V VEE VEE -12.0V V R4 30kΩ D1 D2
4
-12.0V
1 11
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当 R3=20.1K K 时，放大倍 倍数为 3.01 倍 倍，输出波形 形如下图所示 示：
3
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R5 100kΩ
1
C2 10nF
4
R1 47kΩ
C1 10nF
R2 100kΩ
VCC 12.0V VCC
8 3
0
U1A
1
C3
2
R4 100kΩ R6 24kΩ 6 D1 D2
其输出波形如下图所示：
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文氏电桥振荡电路详解
文氏电桥振荡电路（Wien bridge oscillator circuit） ，简称“文氏电桥” ，是一种适于产生 正弦波信号的振荡电路之一， 此电路振荡稳定且输出波形良好， 在较宽的频率范围内也能够 容易调节，因此应用场合较为广泛。 如下图所示为基本文氏电桥振荡电路：
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实际应用中 中，我们也可 可能需要单电源 源供电的振荡 荡电路，如下 下图所示：
R6
A
C2
R2
VCC
+ OP R1 C1 ‐ R4 C3 R3 R5 D1 D2
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Author: Jackie Long
1 R2 47kΩ
C2 10nF
4
R1 47kΩ
C1 10nF
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注意纵轴单 单位为 mV（毫伏） ，此时 时电路起振后 后不断地放大 大导致幅度增 增加（此图只是一 部分 分） ，但由于放 放大倍数太小 小，因此达到 到大信号电平 平需要更长的 的时间。 当 R3=20K 时，放大倍数 时 数为 3 倍，输 输出波形如下 下图所示：
注意纵轴单 单位为 pV（皮 皮伏） ，放大倍 倍数太小，一 一直都处在小 小信号状态，什么时候达 达到大 信号 号状态也无从 从得知，因此 此这里就没图 了，不好意思 思。 当 R3=15K 时，放大倍数 时 数为 2.5 倍（ （负反馈占优 优势） ，如下图 图所示：
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R1 47kΩ Ω
U1A
1
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R3
2
10kΩ
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LM358 8D VEE VEE R4 30kΩ R5 47kΩ 5 -12.0V D1 D2 2 1 4
其输出波形 形如下图所示 示：
下图为局部 部放大的波形 形图，可以看 到，此时的输 输出波形不再 再有失真。
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1 2π R R C C 2
1
也可以这样理解： 电路刚上电时会包含频率丰富的扰动成分， 这些扰动频率都将会被放 大 3 倍，随后再缩小 3 倍，依此循环，只有扰动成分的频率等于 f0 时，电路将一直不停地
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C2 R2
+ R1 C1 R3 R5 OP ‐ R4 D1 D2
uo
我们的修改 改思路是这样 样：当电路开始 始振荡时保证 证放大倍数大 大于 3，这样 样可以使得电路容 易起 起振，而当电 电路的振荡幅度增大到某个 个程度时，将 将其放大倍数 数自动切换为 为小于 3，这 这样就 能限 限制振荡的最 最大幅度，从 从而避免振荡波 波形出现削波 波失真。 这里增加了 了 R5、D1、D2 D ，当振荡信 信号比较小时 时，二极管没 没有导通，因 因此 R5、D1、D2 支路 路相当于没有 有，因此放大 大倍数大于 3， ，而当振荡信 信号比较大时 时，二极管导 导通，相当于 于 R5 与R R4 并联，这样 样放大倍数就 就会小一些 （合理设置 R5 R 的阻值，可 可以使其放大 大倍数小于 3） 。 我们用下图 图所示的电路 路参数进行仿 真：
其中，R1、R2、C1、C2 组成的 RC 串并网络将输出正反馈至同相输入端，R3、R4 则将 输出负反馈至运放的反相输入端，电路的行为取决于正负反馈那一边占优势（为便于分析， 通常都假设 R1=R2=R 且 C1=C2=C，当然这并不是必须的） 。 可以将该电路看作对 A 点输入（即同相端电压）的同相放大器，因此该电路的放大倍 数如下：
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Au uthor: Jackie Lo ong
下图也是一 一种稳幅电路 路，如下图所示 示，读者可自行分析：
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我们用下图所示的电路参数进行仿真：
VCC 12.0V VCC
8 3
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R1 kΩ 47k
U1A
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R3 10kΩ
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LM35 58D
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VEE VEE
R4 18kΩ
-12.0V D1 1 6 R5 27 7kΩ D2
从原理上很 电路输出波形 很容易看出， 形的幅度与二 二极管的正向 向压降有很大 大的关系， 我们可 我 以用 用下图所示电 电路来摆脱这 这个问题：
VCC 12.0V VCC
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LM358D VEE VEE
6 Q1
R5 47kΩ 7 C3 2µF 0
-12.0V 2
R4 19kΩ D1
R6 1MΩ
N 沟道 JFET 的阀值电压 VTH 为负压，当 VGS=0 时（即电路刚上电时） ，源‐漏导通而将 R5 短接到地，R5 与 R3 并联再与 R4 组成负反馈，此时电路的放大倍数约为 3.3（大于 3） ，电 路开始起振，振荡的幅度也会越来越大；当输出负压足以使 VGS<VTH 时，JFET 截止，此时电 路的放大倍数约为 2.9（小于 3） ，此电路的输出幅值约为 JFET 的阀值电压（负压）加一个二 极管压降，即 VTH+VD，其输出波形如下图所示：
Au uthor: Jackie Lo ong
振荡 荡下去，也就 就是说，频率 率为 f0 的成分 分既不会因衰 衰减而最终消 消失，也不会 会因一直不停 停放大 而导 导致运放饱和 和而失真，相当于此时形 成了一个平衡 衡电桥。 但是这个电 电路的实际应 应用几乎没有 ，因为它对器 器件的要求非 非常高，即 R R4/R3 必须等 等于 2 （也 也就是放大倍 倍数必须为 3） ，只要有一 一点点的偏差 差，电路就不 不可能稳定地 地振荡下去，因为 元件 件不可能十分 分精确，就算可以做到，受 受到温度、老 老化等因素，电路也可会 会出现停振（放大 倍数 数小于 3）或失真（放大倍 倍数大于 3） 的情况。 我们用下图 图所示的电路 路参数进行仿 真：
uo
在单电源供 供电系统中，我们增加了电 电阻 R6 与电 电容 C3，电阻 阻 R6 的值通常 常与 R1 相同 同，这 样两 两者对直流正 正电源 VCC 分压，则有 分 A 点的电位为（VCC/2） ，再 再利用电容 C C3 的“隔直 直流通 子制作站》微 交流 流”特性，更 更多精彩文章可关注《电子 微信订阅号 dzzzzcn d ，使 R4（R5）引入直 流全 全负反馈，此 此时相当于一个电压跟随器 器，因此输出 出静态时输出 出电压为 VCC C/2，此时电路的 直流 流通路等效如 如下图所示：
2 C1 10nF R2 47kΩ C2 10nF VCC C 12.0V VCC V 0 R R3
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R1 47kΩ
VCC
12.0V VC CC R5 5 20 0kΩ 6 R6 6 4.7 7kΩ 5 R7 7 4.7 7kΩ 7 R8 8 20 0kΩ VE EE VEE
U1A
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10kΩ
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把局部放大 大后如下图所 所示，注意纵轴 轴单位
可以看到，电路的放大倍数越大，则 则电路越容易 易起振，但只 只要放大倍数 数超过 3，则输出 形都将出现削 削波失真，如果放大倍数设 设置恰好为 3，则仿真时 时间要等很久 久才会有结果 果。实 波形 际用 用器件搭电路 路时，要做到 到放大倍数为 3.00000XXXX 可真不是件 件容易的事. 们有必要对其 为了让电路 路更容易应用于实践，我们 其进行优化，如下图所示 示：
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当 R3=21K 时，放大倍数 时 数为 3.1 倍， 输出波形如 如下图所示：
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2 C1 10 0nF R2 47kΩ C C2 10nF VCC 12.0V VCC
2 C1 10nF R2 47kΩ
C2 10nF
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R1 4 47kΩ
VCC 12. 0V VCC
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U1A A
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R3 1 10kΩ
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LM M358D
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VEE VEE
R4 30kΩ
-12.0V
当 R4=100K 时，放 放大倍数为 11 1，输出波形 形如下图：
当 R4=30K 时，放大倍数 时 数为 4，输出 出波形如下图 图：
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5 10nF 10kΩ
R3
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LM358D
Au uthor: Jackie Lo ong
可以看到，输出正弦波 波是以 6V（即 即 12V 的一半 半）作为中点 点的。 也有如下图 图所示相似的电路，读者 可自行仿真， ，原理是一致 致的。
2 C1 C 1 10nF R2 47kΩ Ω C C2 10 0nF VCC V 12.0V VCC
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可以证明，当放大倍数小于 3 时（即 R4/R3=2） ，负反馈支路占优势，电路不起振；当 放大倍数大于 3 时，正反馈支路占优势，电路开始起振并不是稳定的，振荡会不断增大，最 终将导致运放饱和，输出的波形是削波失真的正弦波。 只有当放大倍数恰好为 3 时，正负反馈处于平衡，振荡电路会持续稳定的工作，此时输 出波形的频率公式如下所示：
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LM358D V VEE VEE -12.0V V R4 30kΩ D1 D2
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-12.0V
1 11
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当 R3=20.1K K 时，放大倍 倍数为 3.01 倍 倍，输出波形 形如下图所示 示：
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R5 100kΩ
1
C2 10nF
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R1 47kΩ
C1 10nF
R2 100kΩ
VCC 12.0V VCC
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R4 100kΩ R6 24kΩ 6 D1 D2
其输出波形如下图所示：
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