设计目标

设计说明

此电路使用四通道运算放大器和 ±2.5V 电源来生成 10kHz 低失真正弦波。放大器能够对每个 RC 滤波器级进行缓冲，从而生成低失真输出。

设计说明

1. 使用过大的反馈电阻 R₁ 和 R₂ 会导致振荡频率发生偏移，并增加噪声和失真。
2. 第一级的电阻器 R₁ 和 R₂ 必须能提供足够大的增益。否则，输出端的振荡会减弱。但是，第一级增益过大会导致输出失真增大，振荡频率降低。
3. 输出负载过重会导致振荡频率下降。
4. 在较高频率 (> 10kHz) 下，放大器的相位延迟变得显著，将导致振荡频率低于计算或预期值。因此，在频率更高的设计中为第一级、第二级和第三级（R₃、R₄、R₅、C₁、C₂ 和 C₃R）的加载元件选择阻值时，必须包括一些裕量，以确保达到所需的振荡频率。
5. 选择增益带宽积至少是所需值 100 倍的放大器。这将确保实际和计算出的振荡频率一致。
6. 要更精确地控制振荡频率，请使用容差较小的无源器件。

设计步骤

对于经典反馈系统，当开环增益 A_OL 和反馈因子 β 的乘积等于 –1 或在 180° 时为 1 时，就会发生振荡。因此，设计中的每个 RC 级都必须贡献 60° 的相移。由于每级都由一个缓冲器隔离，因此第一级的反馈因子 β 的大小必须为 (1/2)³。因此增益 (1/β) 必须至少为 8V/V。

1. ${\mathrm{A}}_{\mathrm{OL}}\times \beta ={\mathrm{A}}_{\mathrm{OL}}\times {\left(\frac{1}{\mathrm{RCs} + 1}\right)}^3$
   选择的第一级反馈电阻需实现维持振荡所需的增益。
   $\mathrm{Gain}=\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}\ge 8\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
   $R_1=16.5k\mathrm{\Omega }, R_2=150k\mathrm{\Omega }\mathrm{ }\left(\mathrm{S}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{d}\mathrm{ }\mathrm{V}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{u}\mathrm{e}\mathrm{s}\right)$
2. 计算元件 R₃、R₄、R₅、C₁、C₂ 和 C₃ 以设置振荡频率。为 C₁、C₂ 和 C₃ 选择 10nF。
   ${\mathrm{f}}_{\mathrm{oscillation}}=\frac{\tan (60°)}{\mathrm{2\pi }\times R\times C}=\mathrm{10kHz}$
   ${\mathrm{C}}_{1,2,3}=\mathrm{10nF\; (Standard\; Values)}$
   ${\mathrm{R}}_{3,4,5}=\frac{\tan (60°)}{2\mathrm{\pi }\times \mathrm{C}\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{oscillation}}}=\frac{1.73}{\mathrm{2\pi }\times \mathrm{10nF}\times \mathrm{10kHz}}=\mathrm{2757\Omega }\approx \mathrm{2.7k\Omega \; (Standard\; Values)}$
3. 确保所选运算放大器具有以所需频率振荡的带宽。
   ${\mathrm{f}}_{\mathrm{oscillation}}\ll \frac{\mathrm{GBW}}{\mathrm{Gain}}=\frac{\mathrm{GBW}}{\left(\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}\right)+1}$
   $\mathrm{10kHz}\ll \frac{\mathrm{10MHz}}{\left({\displaystyle \frac{\mathrm{150k\Omega }}{\mathrm{16.5k\Omega }}}\right)+1}\cong \mathrm{991kHz}$
4. 确保所选运算放大器具有以所需频率振荡所需的压摆率。使用全功率带宽公式计算必要的压摆率，并确保它小于放大器的压摆率。虽然很难预测确切的振荡幅度，但您可以确保我们的放大器足够快，通过确保输出可以在轨到轨之间摆动，来生成所需的正弦波。
   ${\mathrm{SR}}_{\mathrm{req}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{peak}}\times 2{\mathrm{\pi \; f}}_{\mathrm{oscillation}}=\mathrm{2.5V}\times \mathrm{2\pi }\times \mathrm{10kHz}=0.157\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{\mu s}}\mathrm{，假设} {\mathrm{V}}_{\mathrm{cc}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{peak}}$
   ${\mathrm{SR}}_{\mathrm{req}}<{\mathrm{SR}}_{\mathrm{TLV}9064}$
   $0.157 \frac{\mathrm{V}}{\mathrm{\mu s}}<6.5\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{\mu s}}$

设计仿真

生成的模拟显示了一个正弦振荡器，它在大约 3ms 后达到稳定状态，达到 10.01kHz 的正弦波，幅度为 735mV_pp。

瞬态仿真结果

设计参考资料

1. 请参阅模拟工程师电路说明书，了解有关 TI 综合电路库的信息。
2. SPICE 仿真文件：SLOC355。
3. TI 高精度实验室
4. 正弦波振荡器应用报告
5. 运算放大器正弦波发生器设计应用报告

设计采用的运算放大器

设计备选运算放大器