典型的基于运放(双电源供电)的方波振荡器电路。其核心是利用运放作为施密特触发器(带滞回的比较器),配合RC充放电网络(R1, C1)产生振荡。
其中VCC 是正电源,VEE 是负电源,后面的实验中采用±6V, 电容 C1 = 10nF,运放采用 LM358, 电路中 R2 和 R3 相等,R1和 C1 构成 RC 积分电路。
运放 (Op-Amp): 双电源供电(+6V 和 -6V),输出可在 -6V 到 +6V 间摆动。
电阻 R1: 连接在输出端 (V₀) 和反相输入端 (V-) 之间。核心定时电阻,控制电容充放电电流。
电容 C1: 连接在反相输入端 (V-) 和地 (GND) 之间。核心定时电容,电压变化触发运放输出电平翻转。
电阻 R2 和 R3: 构成正反馈网络,连接在输出端 (V₀) 和同相输入端 (V+) 之间,并分压到地(或负电源)。核心作用是为同相端 (+) 提供动态阈值电压(滞回电压)。
电源: +6V (VCC), -6V (VEE), GND (0V)。
核心工作原理:施密特触发器 + RC 充放电
电路工作分为两个阶段,由电容 C1 的充放电和运放的滞回比较驱动:
1. 阶段 1:输出高电平 (+6V),电容 C1 充电
- 初始状态: 假设输出
V₀ = +6V
(高电平)。 - 同相端电压 (V₊) - 高阈值 (Vth_high):
- R2 和 R3 构成分压器:
V₀ = +6V
→ R2 → V₊ → R3 → GND (0V)。 V₊ = V₀ * [R3 / (R2 + R3)] = +6V * [R3 / (R2 + R3)]=3V
。- 这是电容充电阶段的目标阈值 (Vth_high)。
- R2 和 R3 构成分压器:
- 反相端电压 (V₋) - 电容充电:
V₀ = +6V
通过 R1 对 C1 充电。电容电压Vc
(即V₋
)从初始负值(或0V)指数上升,趋向+6V
。
- 比较状态:只要
V₋ < V₊
,运放输出保持V₀ = +6V
。
- 翻转条件:
- 当
V₋
(电容电压)上升到略高于V₊
(Vth_high)时,运放翻转,输出变为低电平V₀ = -6V
。
- 当
2. 阶段 2:输出低电平 (-6V),电容 C1 放电
- 状态切换: 输出变为
V₀ = -6V
(低电平)。 - 同相端电压 (V₊) - 低阈值 (Vth_low):
- 分压器变为:
V₀ = -6V
→ R2 → V₊ → R3 → GND (0V)。 V₊ = V₀ * [R3 / (R2 + R3)] = -6V * [R3 / (R2 + R3)]=-3V
。
- 分压器变为:
- 这是电容放电阶段的目标阈值 (Vth_low)。
- 反相端电压 (V₋) - 电容放电:
V₀ = -6V
通过 R1 使 C1 放电(或反向充电)。- 电容电压
Vc
(即V₋
)从之前的高值指数下降,趋向-6V
。
- 比较状态:只要
V₋ > V₊
,运放输出保持V₀ = -6V
。 - 翻转条件:
- 当
V₋
(电容电压)下降到略低于V₊
(Vth_low)时,运放翻转,输出变回高电平V₀ = +6V
。
- 当
循环过程
[输出高 (+6V)] → C1充电 → Vc ↑ → 达到 Vth_high → 翻转 → [输出低 (-6V)] → C1放电 → Vc ↓ → 达到 Vth_low → 翻转 → [输出高 (+6V)] → ...
结果: 在输出端 V₀
产生稳定的方波信号,高电平 ≈ +6V
,低电平 ≈ -6V
。
注意,运放如果是轨到轨运放,输出电压 V₀
会接近电源电压,否则 V₀
和电源之间,可能会有 1~2V 的差距。
为什么需要 R2(正反馈)?
-
提供滞回 (Hysteresis): R2 使阈值
V₊
随输出状态变化 (Vth_high
和Vth_low
),确保翻转快速、稳定,避免在阈值点振荡(抗噪声)。 -
加速翻转: 正反馈在翻转瞬间将输出变化耦合到同相端,迫使运放迅速进入饱和状态(+6V 或 -6V),输出边沿陡峭。
面包板上搭建号的电路如下图:
运放是 LM358, 所有电阻都是 100k, 电容 10nF, 电源±6V。
正负电源由两个 6V 小电源政府及串联而成:
波形图如下:
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,在电容充电、放电两个过程循环。
CH3(紫色):接运放同相输入引脚。在 -3V~2V 两个上下限阈值电压之间跳变。
波形特征总结
LM358 是非轨到轨运放,负向饱和电压更接近电源轨,正向饱和电压和电源有 1V 左右的差距。
运放基础知识: