文氏（Wien）網絡自1891年由物理學家Max Wien推導出以來，已被用於許多振蕩器設計中，其中最著名的是惠普200振zhen蕩dang器qi。讓rang這zhe個ge正zheng弦xian波bo振zhen蕩dang器qi的de設she計ji與yu當dang時shi的de大da部bu分fen設she計ji不bu同tong的de關guan鍵jian
，是shi在zai負fu反fan饋kui分fen壓ya器qi中zhong使shi用yong白bai熾chi燈deng來lai穩wen定ding恒heng定ding振zhen幅fu電dian平ping所suo需xu的de增zeng益yi，以yi及ji在zai寬kuan頻pin率lv範fan圍wei內nei穩wen定ding的de振zhen蕩dang器qi運yun行xing。這zhe是shiFred Terman教授給Bill Hewlett（惠普的兩個創始人之一）的斯坦福大學碩士論文的建議。Bill Hewlett的音頻振蕩器變得相當有名
，是日後與Dave Packard創立的惠普公司的第一批產品。在Bill Hewlett推出其文氏電橋振蕩器之前，大多數音頻源都是基於LC振蕩器的。

 

通用無線電公司（GR）自1920年代後期就開始生產音頻振蕩器
，最初是403型，後來發展到1304型。GR音頻振蕩器由兩個LC調(tiao)諧(xie)振(zhen)蕩(dang)器(qi)組(zu)成(cheng)，一(yi)個(ge)振(zhen)蕩(dang)器(qi)是(shi)固(gu)定(ding)頻(pin)率(lv)，另(ling)一(yi)個(ge)是(shi)可(ke)調(tiao)的(de)。兩(liang)個(ge)振(zhen)蕩(dang)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)混(hun)合(he)在(zai)一(yi)起(qi)。不(bu)在(zai)振(zhen)蕩(dang)器(qi)指(zhi)定(ding)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)頻(pin)率(lv)被(bei)濾(lv)除(chu)，所(suo)選(xuan)的(de)頻(pin)帶(dai)被(bei)放(fang)大(da)，且(qie)振(zhen)幅(fu)被(bei)調(tiao)平(ping)並(bing)被(bei)控(kong)製(zhi)饋(kui)送(song)到(dao)振(zhen)蕩(dang)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)端(duan)。這(zhe)種(zhong)製(zhi)造(zao)音(yin)頻(pin)信(xin)號(hao)源(yuan)的(de)方(fang)法(fa)昂(ang)貴(gui)且(qie)複(fu)雜(za)。由(you)於(yu)LC調諧振蕩器會漂移

，因此難以保證頻率穩定性。較低音頻頻率下的頻率穩定性成為LC調諧音頻振蕩器永無止境的問題。諧波失真是另一個重要問題。

 

固定或單頻文氏電橋振蕩器不難設計和建構，因為在文氏電橋網絡中可以選配RC組件以實現所需的振蕩頻率。

 

使用Bill Hewlett引入的燈泡發熱方案可以實現幅值控製穩定。這種文氏電橋振蕩器可以實現非常低的失真
，具有良好的振幅和頻率穩定性。

 

由you於yu文wen氏shi電dian橋qiao網wang絡luo的de電dian阻zu臂bi或huo電dian容rong臂bi中zhong需xu要yao一yi對dui匹pi配pei元yuan件jian
，所suo以yi變bian頻pin文wen氏shi電dian橋qiao振zhen蕩dang器qi的de設she計ji和he建jian構gou更geng加jia困kun難nan。這zhe可ke通tong過guo一yi個ge雙shuang可ke變bian跟gen蹤zong電dian容rong器qi或huo開kai關guan電dian容rong值zhi、雙可變跟蹤電阻器、開關電阻器以及邏輯選擇電阻器（數字電位器）以改變頻率的方法來實現。

 

電壓調諧的文氏電橋振蕩器並不常見，它們可能對設計和建構帶來挑戰。基於變容二極管（壓變電容器）的文氏電橋壓控振蕩器設計和建構一直存在。另一種調整文氏網絡的方法是使用一對匹配的JFET。

 

Linear Systems推出的雙匹配P溝道JFET激發了在文氏網絡中使用該匹配器件作為跟蹤壓控電阻的設想。1967年，Oliver A. Fick和原子能委員會（Atomic Energy Commission）為wei此ci申shen請qing了le專zhuan利li。專zhuan利li中zhong有you這zhe一yi概gai念nian和he設she想xiang的de描miao述shu與yu圖tu示shi，但dan與yu大da多duo數shu專zhuan利li一yi樣yang，如ru何he使shi這zhe一yi設she想xiang實shi際ji發fa揮hui效xiao能neng的de更geng具ju體ti的de細xi節jie模mo糊hu不bu清qing，其qi詳xiang盡jin程cheng度du不bu足zu以yi在zai現xian實shi中zhong實shi現xian足zu夠gou好hao的de設she計ji。雖sui然ran多duo年nian鼓gu搗dao測ce試shi儀yi器qi，從cong其qi服fu務wu手shou冊ce中zhong搜sou集ji了le大da量liang信xin息xi，並bing在zai網wang上shang查zha找zhaoJFET調諧的文氏電橋振蕩器的例子，仍沒有發現可行的設計。這一設想激發了設計和構建滿足功能要求的JFET電壓調諧文氏電橋振蕩器的好奇心。

 

文氏電橋本質上是一個串並聯RC網絡，當串聯和並聯RC網絡達到平衡時，相移為零。在零相移時，該網絡本質上變成一個電阻分壓器
，可用於將正反饋送入放大器
，以產生特定頻率的振蕩。

 

圖1：使用惠普3577B網絡分析儀的文氏網絡分析儀繪圖示例。

 

該文氏網絡的電容值為1000pF、電阻為301Ω。由計算得出發生零相位的頻率為512kHz，網絡分析儀顯示接近513kHz。文氏網絡損耗約9.5dB或3beishuaijian。zheshidangwenshiwangluozuoweizhengfankuicharudaozhendangqizhongshi，weilechanshengzhendang，fangdaqihuoleisizengyiqijianxuyaobuchangdenengliangsunhaoliang。zengyiqijianhuizengjiazhendangfudu，zhidaobaoheweizhi。zengjiayigeyoucankaodianyakongzhidekebianzengyifufankuihuanlu
，tongguowenshiwangluolaipingzhenghepinghengzhengfankuideliangzhi
，keyidedaowendingdezhendangqishuchuzhenfuhezhendangpinlv。

 

圖2：降低文氏網絡串聯臂的電阻或R值，會導致網絡分析儀顯示器在平衡狀態下幅度略微增加，頻率略微上移。

 

dangwenshiwangluoyongzuozhendangqishi
，shaoweizengjialeqizhengfankuiliang。weibaochizhendangqidehengdingdianpingshuchu，fufankuihuanluxuyaotiaozhengbingbuchangzhexiedongtaiwenshiwangluotiaoxiezujiandebianhua。

 

這是在文氏電橋振蕩器中使用JFET作為壓控運行元件時需要考慮的一個參數示例。

 

用作壓控電阻時，JFET具有與三極真空管類似的基本平方定律非線性傳輸特性。因為JFET的漏極和源極會增加信號偏移水平，從而導致通道長度調製（通道電阻調製），JFET的這一“個性”就更得以彰顯。圖3中貫通被測JFET的三角波兩邊的曲率顯示了漏-源阻抗的這些小變化。

 

雙LSJ689的一半配置為雙電阻分壓器中的一個電阻，由底部的10V峰-峰、500kHz三角波曲線驅動；柵-源極偏置電壓約為JFET漏-源極接近最大源 - 漏極電阻時偏置電壓的30％。

 

圖3：頂部三角波曲線（曾為直線）邊緣呈現了JFET的平方律特性。

 

大多數JFET的漏極至源極通常是對稱的。通過在柵極與漏極之間增加分壓器，將柵極連接到分壓器中心，該分壓器就能有效地向JFET的柵極施加校正反饋。

 

圖4：由信道長度調製引起的一些非線性可以得到校正。

 

將來自JFET的漏極到源極之間的電阻分壓器的反饋添加到柵極有助於FET線性化。

 

將分壓器驅動增加到15V峰-峰值電壓，以說明被測JFET上漏-源極電阻線性度的改善。

 

通過降低漏-源極間的信號電平
，可進一步降低由漏-源極間壓降引起的柵極調製導致的JFET失真。這有效減小了溝道長度調製效應，使JFET的漏-源極之間的阻抗更線性。

 

圖5：頂部跡線
，被測JFET的輸出三角波；底部跡線，輸入到JFET測試分壓器的三角波。

 

 

JFET不是理想電阻器

，盡管有局限，LSJ689中的兩個匹配JFET仍足以用作文氏電橋調諧元件。作為P溝道JFET的LSJ689具有正向電壓增加JFET漏-源電阻的優點。與需要負向電壓增加JFET漏-源極電阻的N溝道JFET相比，前者電壓控製更加容易。

 

柵-源極電壓為零時
，LSJ689的典型“導通”電阻約為120Ω。數據手冊規定柵-源極“OFF”（漏-源極電阻達到該JFET能夠獲得的最大值）電壓在1.5至5V之間。該規範會影響給定柵-源極電壓下漏-源電阻的量值
，從而直接影響文氏網絡的調諧頻率和調諧範圍。 JFET對漏-源電阻之間的差異將影響文氏電橋的調諧頻率和幅度，如網絡分析儀圖所示。在1MHz、漏-源極電壓為15V時，LSJ689具有8pF的低漏-源極電容。鑒於LSJ689的這些固有特征
，我們來嚐試製作一款250kHz至1MHz、電壓調諧的文氏電橋振蕩器。

 

文氏電橋振蕩器中用作增益元件的放大器是非常基本的三極管差分放大器，帶有互補的發射極跟隨器輸出部分。設計並不複雜
，在1MHz振蕩器中具有足夠的帶寬來工作，具有低阻抗的正和負反饋回路，並且仍具有一定的負載驅動能力。開環增益在14左右

，便於反饋回路閉合（振蕩所需的增益約為9.5dB或x3），具有合理的失真性能和可接受的DC穩定性。

 

K489A-K489B是在輸入端使用的LSK489匹配的N通道對。該差分對的尾電流由J511電流源二極管設定為約4.5mA
，並在差分對的兩個JFET間分流。同相輸入JFET K489A具有一個1kΩ的負載電阻R9和一個二極管D1。1kΩ電阻將增益設置為約等於2。二極管在R9兩端增加了一個二極管壓降，幫助補償和抵消連接到它的共發射極放大器導致的溫度影響。反相輸入JFET（K489B）作為源極跟隨器，增加了該放大器輸入負反饋路徑的阻抗。

 

Q2是共發射極放大器（CE），其直流偏置是通過漏極電阻R9和D1兩端的壓降實現的
，增益由直流偏移調整器R11
、R12、Re''、集電極電阻R13和發射極跟隨器輸出部分所需的能量設置。可變電阻R11用於調整放大器的直流偏移
，通過調整進入R13的集電極電流實現。R13上產生的壓降被設定為在放大器的輸出端達到接近零伏時的電壓。該CE放大器的工作電流為11mA，支持所需放大器的帶寬以及發射極跟隨器輸出部分的驅動需要足夠的電流。由於使用本地反饋將該放大器CE部分的增益設置為約等於7，利用Q2的固有集電極-基極電容保證了放大器穩定性。

 

三個二極管D3、D4、D5產生約1.8V壓降，以偏置用作輸出級的NPN和PNP發射極跟隨器。發射極跟隨器上的基極電阻R14、R15是保證良好的振蕩穩定性必需的
；發射極電阻R16、R17需要在溫度範圍內保持偏置穩定性。輸出部分偏置設置為12mA，允許在驅動低阻抗文氏網絡正反饋環路和光敏電阻調製的負反饋環路的同時
，仍有一些電流可用於驅動負載。

 

電壓調諧文氏電橋網絡包括用作壓控電阻器對的LSJ689雙P溝道JFET。漏-柵極反饋電阻R3、R6有助於JFET的有效電阻曲線線性化

；R2、R5則構成J689A和J689B的柵極分壓器。JFET上並聯的R4、R7在柵極電壓變化時將其可變電阻範圍限製在約120Ω到650Ω的範圍，同時也有助於JFET的電阻曲線線性化。 C3對JFET調諧電壓進行隔離，以遠離放大器的同相輸入端。 6.8V齊納二極管限製了可施加到JFET柵極的電壓，從而有效限製了這種電壓調諧的文氏電橋振蕩器的可變電阻範圍和調諧頻率範圍。

 

R1限製了齊納二極管D2的電流，C7和R1對進出振蕩器的一些高頻控製電壓進行濾波
，C1和C2構成了文氏網絡的剩餘部分
，振蕩器頻率隨調諧電壓的增加而降低。

 

在本文末尾的示意圖中

，當電壓控製（VC）輸入為0V時
，文氏網絡振蕩頻率約為1MHz

，當VC輸入為7V時，振蕩頻率下降到約250kHz
，也即每伏下降110kHz。由於JFET固有的非線性
，每伏對應的調諧頻率並非線性。

 

圖6：頂部跡線是0V到10V
，一個2s的斜坡驅動VC輸入
；底部跡線是振蕩器的輸出，從1MHz開始，停止在250kHz
；跡線包絡說明在其調諧頻率範圍內具有均勻的振蕩器電平輸出。

 

為了控製和穩定振蕩器的輸出電平，D6、D7、R21構成Q4的1.2V基準電壓

，從而在發射極電阻R22上產生約0.6V電壓，生成2mA的電流源。

 

這個2mA的電流被施加到D11，D11中注入1.8mA將使R19的電阻降低到約100Ω。在R19為100Ω
、固定負反饋電阻R18為619Ω的條件下，放大器的閉環增益增加到約等於7。這一量值的放大器增益加之相關部件的固有噪聲就可以啟動振蕩器。一旦振蕩器的輸出電平足夠高以驅動峰值檢測器網絡R23、D8、C4
，分壓器R24、R26就設置基極驅動量值來正向偏置Q5的基極-發射極結。分壓器R24
、R26還設置了振蕩器的輸出電平。一旦Q5有足夠的基極驅動來克服其基極-發射極電壓，那麼它還可以用作振蕩器電平控製的參考電壓。Q5開始導通
，電流開始從集電極流向發射極，從而減小驅動D11的電流。減小對D11的驅動會增加R19的阻值，改變R18的分壓比

，降低放大器增益
，穩定並平衡振蕩器的輸出。振蕩器電平控製環路的穩定性由C4
、R24、R26和固有的LED光輸出到光敏電阻的阻值變化-反應時間（轉化為光敏電阻模塊D11-R19）所決定。

 

圖7：振蕩器輸出的諧波分量在1MHz時驅動500Ω負載。

 

 

L1、L2、R28、R29、C5
、C6組成電源去耦網絡。電感的阻抗隨頻率的增加而增加，限製了可以進入或離開振蕩器的較高頻能量的量值。R28、R29消除了網絡的潛在自諧振。旁路電容需要一些阻抗來抑製，否則將成為不想要的循環電流發生器，從而導致意外的問題。

 

振蕩器+/-15V電源直接連接到22μF旁路電容。

 

*圖8：頂部跡線：+15V電源、Tek P6021電流探頭和Tek 7A14（@ 5mA /格），使電源產生脈衝電流，驅動振蕩器和500Ω負載
，可見。中間跡線：+ 15V電源
、Tek P6046差分探頭（@10mV/格），顯示+15V電源的電壓紋波；用電壓探頭實際看不到電流脈衝。底部跡線：振蕩器輸出至500Ω負載。振蕩器+/- 15V電源連接到150μH電感、10Ω電阻和22μF旁路電容。 

 

圖9：頂部跡線：+15V電源
、Tek P6021電流探頭和Tek 7A14（@ 5mA /格）；驅動振蕩器和500Ω負載的脈衝電流由150μH電感、10Ω電阻和22uF旁路電容控製。中間跡線：+15V電源、Tek P6046差分探頭（@10mV/格）、在+15V電源上顯示電壓紋波；有或沒有150μH電感和10Ω電阻，看起來差不多。底部跡線：振蕩器輸出到500Ω負載。

 

JFET電壓調諧文氏電橋振蕩器的測量規範：

 

 

該JFET電壓調諧文氏電橋振蕩器說明如何進行設計權衡來實現可工作的振蕩器。調諧頻率範圍受限於匹配的P溝道JFET對的線性調諧範圍。將頻率調諧範圍擴大到本範例之外會導致文氏網絡的有效電阻值過度失配，使文氏網絡失衡。考慮到JFET 文氏網絡的這些限製，調諧靈敏度最終會達到110kHz/V左右。對於1MHz中心頻率
、30kHz步進來說，該VCO的階躍響應或調諧速率被幅度控製環路限製為1ms。在1MHz、振蕩器輸出負載為500Ω的情況下，諧波比最差情況下的基本調諧頻率（-dBc）低-30dB。這是由文氏電橋失配、放大器性能、振蕩器輸出電平驅動500Ω負載等情況決定的。這種FET調諧的VCO的電性能與使用變容二極管的LC電壓調諧振蕩器類似。

 

文氏網絡是橋網絡的實例，它是模擬電子學的基本構建模塊之一。橋網絡演變而來的還包括由四個電阻組成的惠斯登電橋,然後是進一步的差分放大器。最基本的差分放大器是由兩個負載電阻和兩個有源器件（FET、MOSFET、雙極型晶體管、真空管、微型抗震電子管等）組(zu)成(cheng)。利(li)用(yong)四(si)元(yuan)網(wang)絡(luo)在(zai)兩(liang)邊(bian)實(shi)現(xian)平(ping)衡(heng)和(he)對(dui)稱(cheng)，這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)非(fei)常(chang)有(you)效(xiao)的(de)設(she)計(ji)理(li)念(nian)。這(zhe)種(zhong)平(ping)衡(heng)和(he)對(dui)稱(cheng)的(de)概(gai)念(nian)體(ti)現(xian)在(zai)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)的(de)許(xu)多(duo)方(fang)麵(mian)

，類(lei)似(si)於(yu)自(zi)然(ran)係(xi)統(tong)之(zhi)於(yu)人(ren)類(lei)行(xing)為(wei)。

 

fudukongzhixitonghuanlushipinghengdelingyizhongyanbian。tabaokuoyigecankao，gaicankaoyufuduzhijinxingbijiao。bijiaojieguochanshengyigechazhihuowuchaxinhao
，shiyongzengyikongzhiyuanjiangaibianfangdaqizengyijiukeyikongzhiwenshidianqiaozhendangqideshuchudianping。shishifangdaqizengyixiaozheng（校正事件時間）和決定需要施加多少幅度校正，增加了幅度控製環的複雜性。如果不以適當的時序和量值進行校正，控製係統會變得不穩定。

 

JFET文氏電橋振蕩器的設計和構建也使旁路電容一些“隱藏”的影響顯露出來。旁路電容可以是有效的瞬時儲能器件，也可以成為電壓-dianliuzhuanhuanqi。dianliutantouyouzhuyushuomingpangludianrongduidianliuzhuanhuandeyingxiang。youyupangludianronghuichanshengyouxiaodizukangdianyayuan，yincishiyongdianyatantoubuyijieshicixianxiang。

 

圖10：電流探頭有助於說明旁路電容對電流轉換的影響。

 

增加電感作為附加的瞬時能量存儲元件（阻抗隨頻率的增加而增加），降低了通過電源“逃離”該電路的高頻。與電感串聯的電阻防止該網絡變成諧振回路。

 

本文轉載自電子技術設計。