基于JFET电压调谐的文氏电桥振荡器制作详解

文氏（Wien）网络自1891年由物理学家Max Wien推导出以来，已被用于许多振荡器设计中，其中最著名的是惠普200振荡器。让这个正弦波振荡器的设计与当时的大部分设计不同的关键，是在负反馈分压器中使用白炽灯来稳定恒定振幅电平所需的增益，以及在宽频率范围内稳定的振荡器运行。这是Fred Terman教授给Bill Hewlett（惠普的两个创始人之一）的斯坦福大学硕士论文的建议。Bill Hewlett的音频振荡器变得相当有名，是日后与Dave Packard创立的惠普公司的第一批产品。在Bill Hewlett推出其文氏电桥振荡器之前，大多数音频源都是基于LC振荡器的。

通用无线电公司（GR）自1920年代后期就开始生产音频振荡器，最初是403型，后来发展到1304型。GR音频振荡器由两个LC调谐振荡器组成，一个振荡器是固定频率，另一个是可调的。两个振荡器的输出混合在一起。不在振荡器指定范围内的频率被滤除，所选的频带被放大，且振幅被调平并被控制馈送到振荡器的输出端。这种制造音频信号源的方法昂贵且复杂。由于LC调谐振荡器会漂移，因此难以保证频率稳定性。较低音频频率下的频率稳定性成为LC调谐音频振荡器永无止境的问题。谐波失真是另一个重要问题。

固定或单频文氏电桥振荡器不难设计和建构，因为在文氏电桥网络中可以选配RC组件以实现所需的振荡频率。

使用Bill Hewlett引入的灯泡发热方案可以实现幅值控制稳定。这种文氏电桥振荡器可以实现非常低的失真，具有良好的振幅和频率稳定性。

由于文氏电桥网络的电阻臂或电容臂中需要一对匹配元件，所以变频文氏电桥振荡器的设计和建构更加困难。这可通过一个双可变跟踪电容器或开关电容值、双可变跟踪电阻器、开关电阻器以及逻辑选择电阻器（数字电位器）以改变频率的方法来实现。

电压调谐的文氏电桥振荡器并不常见，它们可能对设计和建构带来挑战。基于变容二极管（压变电容器）的文氏电桥压控振荡器设计和建构一直存在。另一种调整文氏网络的方法是使用一对匹配的JFET。

Linear Systems推出的双匹配P沟道JFET激发了在文氏网络中使用该匹配器件作为跟踪压控电阻的设想。1967年，Oliver A. Fick和原子能委员会（Atomic Energy Commission）为此申请了专利。专利中有这一概念和设想的描述与图示，但与大多数专利一样，如何使这一设想实际发挥效能的更具体的细节模糊不清，其详尽程度不足以在现实中实现足够好的设计。虽然多年鼓捣测试仪器，从其服务手册中搜集了大量信息，并在网上查找JFET调谐的文氏电桥振荡器的例子，仍没有发现可行的设计。这一设想激发了设计和构建满足功能要求的JFET电压调谐文氏电桥振荡器的好奇心。

文氏电桥本质上是一个串并联RC网络，当串联和并联RC网络达到平衡时，相移为零。在零相移时，该网络本质上变成一个电阻分压器，可用于将正反馈送入放大器，以产生特定频率的振荡。

图1：使用惠普3577B网络分析仪的文氏网络分析仪绘图示例。

该文氏网络的电容值为1000pF、电阻为301Ω。由计算得出发生零相位的频率为512kHz，网络分析仪显示接近513kHz。文氏网络损耗约9.5dB或3倍衰减。这是当文氏网络作为正反馈插入到振荡器中时，为了产生振荡，放大器或类似增益器件需要补偿的能量损耗量。增益器件会增加振荡幅度，直到饱和为止。增加一个由参考电压控制的可变增益负反馈环路，通过文氏网络来平整和平衡正反馈的量值，可以得到稳定的振荡器输出振幅和振荡频率。

图2：降低文氏网络串联臂的电阻或R值，会导致网络分析仪显示器在平衡状态下幅度略微增加，频率略微上移。

当文氏网络用作振荡器时，稍微增加了其正反馈量。为保持振荡器的恒定电平输出，负反馈环路需要调整并补偿这些动态文氏网络调谐组件的变化。

这是在文氏电桥振荡器中使用JFET作为压控运行元件时需要考虑的一个参数示例。

用作压控电阻时，JFET具有与三极真空管类似的基本平方定律非线性传输特性。因为JFET的漏极和源极会增加信号偏移水平，从而导致通道长度调制（通道电阻调制），JFET的这一“个性”就更得以彰显。图3中贯通被测JFET的三角波两边的曲率显示了漏-源阻抗的这些小变化。