Простейший автоколебательный мультивибратор: а — схема, б — временные диаграммы

Выходная частота определяется постоянной времени а ширина петли гистерезиса устанавливается отношением сопротивлений резисторов и Считаем, что Максимальная частота ограничена только задержкой переключения компаратора и емкостью нагрузки, которая снижает скорость нарастания выходного напряжения.

При анализе этой схемы предположим, что в первый момент после включения напряжения питания конденсатор разряжен, а выходное напряжение имеет высокий уровень (напомним, что для этого необходимо, чтобы напряжение на инвертирующем входе было бы равно или меньше, чем на неинвертирующем). Напряжение на неинвертирующем входе в таком случае равно

Если тогда

Когда конденсатор зарядится через резистор до напряжения, равного выход компаратора переключится. При значение уменьшится до величины

Конденсатор теперь начнет разряжаться. Когда напряжение на конденсаторе уменьшится до значения, равного напряжения на выходе компаратора и на неинвертирующем входе вернутся к прежним значениям и весь цикл повторится снова. Для приведенной схемы при условии и учитывая, что времена заряда и разряда в установившемся режиме примерно равны можно найти период колебаний из уравнения

Решение этого уравнения относительно с учетом того, что имеет вид

Генератор импульсов с переменной скважностью

Основная схема автоколебательного мультивибратора, приведенная на рисунке может быть изменена, с тем чтобы получить генератор импульсов с регулируемой скважностью. Схема такого генератора представлена на следующем рисунке.

Схема генератора импульсов с регулируемой скважностью

Для раздельного, независимого регулирования длительности импульса и паузы последовательно с времязадающим конденсатором включены две параллельные цепочки

Цепочка формирует ток заряда конденсатора, тем самым, определяя ширину импульса а цепь задает время паузы При изменении сопротивления любого из этих резисторов меняется частота следования импульсов генератора. При условии время нарастания напряжения на конденсаторе определится из уравнения

где — прямое падение на диоде, а время спада

Скорость заряда и разряда конденсатора в данном случае будет меньше, чем в предыдущей схеме, из-за падения напряжения на диодах. Решение уравнений с учетом того, что имеет вид

Мультивибратор с кварцевым резонатором

Простой высокостабильный генератор импульсов на базе компаратора может быть построен, если в цепь обратной связи включить кварцевый резонатор. Сопротивления резисторов выбраны равными с тем, чтобы порог переключения компаратора составлял половину напряжения питания. Постоянная времени цепочки устанавливается в несколько раз больше периода генерируемых колебаний. Это обеспечивает коэффициент заполнения = 0.5, поскольку напряжение на инвертирующем входе будет практически постоянным, равным

Схема генератора импульсов с кварцевым резонатором

Применение компаратора в качестве ОУ

Компараторы, не имеющие внутреннего гистерезиса, в принципе могут использоваться в качестве операционных усилителей в низкочастотных схемах. Это удобно при применении многоканальных компараторов, таких, как LM139, в тех случаях, когда схема содержит несколько компараторов и один усилитель. Можно также использовать один из компараторов микросхемы в качестве ОУ для реализации источника опорного напряжения.

Применение компараторов в качестве ОУ ограничено в основном двумя обстоятельствами: сложностью обеспечения устойчивости при наличии отрицательной обратной связи и асимметрией выхода. Для устойчивой работы приходится ограничивать полосу пропускания компаратора (с помощью внешних корректирующих цепей) несколькими килогерцами, что чрезвычайно снижает скорость нарастания выходного напряжения.

Компараторы не имеют внутренней частотной коррекции или выводов для подключения внешних корректирующих элементов, хотя часто содержат три каскада усиления напряжения. Поэтому частотная коррекция должна осуществляться внешними цепями. На рисунке показана наиболее простая схема коррекции для компаратора LM139, при которой параллельно выходу компаратора включается конденсатор довольно большой емкости.

Такое включение создает доминирующий низкочастотный полюс передаточной функции разомкнутой петли обратной связи. Постоянная времени, соответствующая этому полюсу, практически равна поскольку динамическое сопротивление коллектора выходного транзистора компаратора, работающего в активном режиме, составляет сотни кОм. При указанных на схеме параметрах этот полюс соответствует частоте в 100 Гц.

Схема усилителя на компараторе LM139

На следующем рисунке приведена зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя (на компараторе с коррекцией) от частоты в режиме большого сигнала.

Частотные характеристики усилителей на основе компаратора LM139

Усилитель на интегральном компараторе с внешним умощняющим транзистором и фазоопережающей коррекцией

Видно, что полоса пропускания усилителя ограничена частотой 100 Гц. Цепь обратной связи определяет коэффициент усиления, равный 101.

Схема имеет малую нагрузочную способность из-за большого сопротивления резистора Выход может быть умощнен внешним транзистором включенным по схеме с общим коллектором. Полоса пропускания усилителя, выполненного по этой схеме, может быть расширена до 20 кГц применением более сложной схемы коррекции с фазоопережением.