Глава 10. Функциональные устройства на операционных усилителях

ставляет собой усилитель, охваченный положительной обратной

связью. В качестве усилителя могут быть использованы схемы

на дискретных транзисторах, цифровые ИМС, интегральные тай-

меры, а также операционные усилители. Использование ОУ по-

зволяет построить стабильные генераторы с хорошим воспроиз-

ведением.

Релаксационные генераторы

Релаксационными называют генераторы, у которых регули-

рующий (усилительный) элемент работает в переключательном

(релейном) режиме. К ним относят автоколебательный и ждущий

мультивибраторы, генераторы пилообразных и треугольных коле-

баний. Основой релаксационных генераторов на ОУ является

обычно регенеративный компаратор, называемый также тригге-

ром Шмитта. Регенеративный компаратор представляет собой

операционный усилитель с резистивной положительной обратной

связью (рис. 10.31).

Рис. 10.31. Триггер Шмитта неинвертирующий (а) и инвертирующий (б)

– 231 –

Л.В. Кропочева. «Усилительные устройства»

Переходная характеристика компаратора имеет гистерезис,

ширина которого равна удвоенному пороговому напряжению 2U П ,

причем для схемы на рис. 10.31,а

UП =UM

R1 ,

R2

(10.34)

Для схемы на рис. 10.31,б

UП =UM

R

1 ,

R1 + R 2

(10.35)

где U М – выходное напряжение насыщения усилителя.

Автоколебательный мультивибратор

Схема автоколебательного мультивибратора приведена на

рис. 10.32,а. Он состоит из инвертирующего триггера Шмитта,

охваченного отрицательной обратной связью с помощью интег-

рирующей RC -цепочки.

Когда напряжение u c достигает порога срабатывания триг-

гера Шмитта, схема переключается и ее выходное напряжение

скачком принимает противоположное значение.

Рис. 10.32. Схема мультивибратора (а) и временнaя диаграмма его

работы (б)

При этом конденсатор начинает перезаряжаться в противо-

положном направлении, пока его напряжение не достигнет друго-

го порога срабатывания. Схема переключается в первоначальное

состояние (рис. 10.32,б).

– 232 –

Глава 10. Функциональные устройства на операционных усилителях Анализ схемы мультивибратора позволяет записать диффе- ренциальное уравнение: du сU − uс

=± M

(10.36)

dtRC .

При начальных условиях u с (0) = −U П решение этого урав-

нения имеет вид:

u

с (t ) = U M − (U M + U П )e −t RC .

Значение напряжения, равное порогу срабатывания триггера

Шмитта (условие u с (t ) = U П ), будет достигнуто спустя время

t1 = RC ln[1 + 2 R1 / R 2 ] .

Период колебаний мультивибратора, таким образом, равен

(10.37)

T = 2t1 = 2 RC ln[1 + 2 R1 / R 2 ] .

Как видно из последней формулы, период колебаний мульти-

вибратора не зависит от напряжения U M , которое в свою оче-

редь определяется напряжением питания U ПИТ . Поэтому часто-

та колебаний мультивибратора на ОУ мало зависит от питающе-

го напряжения.

Ждущий мультивибратор (одновибратор)

Обычное назначение ждущего мультивибратора – получе-

ние одиночного импульса заданной длительности. Отсчет длитель-

ности импульса начинается от фронта (или уровня) специального

запускающего импульса. Для того чтобы перейти от схемы авто-

колебательного к схеме ждущего мультивибратора, необходимо

ввести дополнительно цепь запуска и цепь «торможения». Схема

одновибратора приведена на рис. 10.33,а.

Рис. 10.33. Схема одновибратора (а) и временнaя диаграмма его

работы (б)

– 233 –

Л.В. Кропочева. «Усилительные устройства»

Если выходное напряжение ОУ отрицательное максималь-

ное, то диод VD1 открыт, и напряжение на времязадающем кон-

денсаторе u c небольшое отрицательное, равное примерно 0,5 В.

При правильном выборе параметров схемы напряжение на неин-

вертирующем входе ОУ

R

1 R3 + R 2

поэтому при отсутствии запускающего импульса U ЗАП схема на-

ходится в устойчивом состоянии. По приходу положительного за-

пускающего импульса достаточной амплитуды операционный уси-

литель за счет положительной обратной связи переключается в

такое состояние, при котором его выходное напряжение равно

+ U M . Диод VD 2 закрывается и на p -входе ОУ устанавливается

напряжение U П , определяемое выражением (10.35). К времяза-

дающей цепи RC теперь приложено напряжение + U M , под дей-

ствием которого закрывается диод VD 2 начинается заряд кон-

денсатора C . Когда, спустя время t1 , напряжение u c достигнет

порога U П , операционный усилитель переключится и вернется в

первоначальное состояние. Конденсатор C начнет разряжаться и,

спустя промежуток времени t p , называемый временем релакса-

ции, напряжение u c станет отрицательным, диод VD1 откроется

и цикл закончится.

Процессы в схеме описываются тем же уравнением (10.36), но

начальное условие иное, и его решение для одновибратора имеет вид:

u

c (t ) = U M − (U M + U Д )e −t RC ,

где U Д – падение напряжения на открытом диоде VD1 . Отсюда

по условию u c (t1 ) = U П найдем длительность импульса одновиб-

ратора:

u p = −U M

R1 R3

〈u

c ,

[

t1 = RC ln{1 + (R1 R 2 )]1 + (U Д U M ) }.

Из последнего выражения видно, что длительность импуль-

са одновибратора зависит от выходного напряжения насыщения

ОУ, которое в свою очередь определяется напряжением питания.

Другим недостатком рассмотренной схемы является значитель-

– 234 –

[

]