方波发生器，摆脱了 LC/RC 选频网络？

前言

前面我们介绍的几款运放振荡器，核心思路都是 “选频” ，比如：RC 相移网络靠相移锁定频率，文氏桥靠增益锁定频率，LC 网络则靠高阻抗峰值锁定频率。

今天我们来看一款基于运放触发器的振荡器 —— 它无需依赖 LC/RC 选频网络，并且能够直接产生方波。

文中素材来自于书籍《 Operational Amplifiers & Linear Integrated Circuits: Theory and Application 》第 9 章内容，该书还提供开源版本，详见参考链接 [1]、[2]、[3] 。

我只做了一些要点的梳理，详情请看原文。

从“比较器”到“方波发生器”

运放比较器是将反馈接至同相端，输入接至反相端，输出会稳定在正、负饱和电平。

正反馈为电路引入了上、下双阈值（Threshold，符号 Vt+ / Vt-），运放比较同相端与反相端的电压，当输入跨越阈值时，输出便在高低电平之间切换。因此，触发动作带有回滞（Hysteresis），也被称为施密特触发器。

方波发生器，是在这类比较器的基础上，在输出端增加 RC 充放电环节，并将充放电的电压作为反相端的输入信号：

图1 从比较器到方波发生器

书中分析了 RC 充放电与上下阈值的对应关系，推导了振荡信号的频率公式：

图2 方波发生器的数学表达

当然，书中也给了案例，我们照例跑下仿真。

仿真案例

构建电路如下，运放采用了 AD711：

图3 AD711 输出方波

放大波形，查看上、下双阈值（可以代入图 2 公式验证）：

图4 查看上、下双阈值

对波形进行 FFT，查看振荡频率为 2 kHz（可以代入图 2 公式验证）：

图5 查看振荡频率

由于方波发生器的输出需要在正负饱和电平间快速切换，这对运放的 压摆率（Slew Rate）和功率带宽（Power Bandwidth）提出了较高要求。AD711 的这两项动态指标表现更优，我们可以用 LM741 对比一下输出波形：

图6 用 LM741 对比波形

可见，LM741 受限于较低的压摆率与功率带宽，LM741 输出方波的上升沿与下降沿更为缓慢，振荡频率也有所降低。

总结

今天介绍了基于运放触发器的振荡器，它无需依赖 LC/RC 选频网络，能够直接产生方波，让我们对电容充放电、触发器（运放正反馈）有了更深理解。

案例代码

本文 LTspice 案例上传至 Gitee （LTspice 案例 18），可下载运行：

• https://gitee.com/gilbertjuly/spice-circuit-simulation

参考资料

1. https://www.amazon.com/dp/1796856894
2. https://open.umn.edu/opentextbooks/textbooks/operational-amplifiers-linear-integrated-circuits-theory-and-application-3e
3. https://www2.mvcc.edu/users/faculty/jfiore/OpAmps/OperationalAmplifiersAndLinearICs_3E.pdf

相关前文

• 运放振荡器：通过 Phase Shift 将负反馈变成正反馈
• 文氏桥（Wien Bridge）振荡器 —— 另一种 RC 与运放构成的振荡电路
• 运放型 LC 振荡电路 —— LC 是串联还是并联？

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