12. Генераторы импульсов на операционном усилителе.

На базе ОУ разнообразные схемы генераторов: гармонических сигналов и несинусоидальных колебаний, в том числе генераторы прямоугольных импульсов, которые называются мультивибраторами.

Мультивибраторы могут работать в автоколебательном режиме и в ждущем.

Автоколебательный мультивибратор.

В режиме автоколебаний мультивибратор осуществляет непрерывную генерацию входных импульсов.

Принципиальная схема автоколебательного мультивибратора приведена на рисунке 38,а. Временные диаграммы, поясняющие ее работу – на рисунке 38,б.

а) б)

Рисунок 38 Автоколебательный мультивибратор

Резисторы R1 и R2 образуют цепь положительной обратной связи (ПОС), которая обеспечивает быстрое изменение напряжения во время формирования переднего и заднего фронтов выходного импульса. Длительность выходного импульса определяется элементами R3 и C1, включенными между выходом и инвертирующим входом ОУ.

Полагаем, что перед началом работы схемы напряжение на конденсаторе С1 отсутствует. При включении источника питания с напряжением +Е, – Е в результате действия ПОС на выходе устанавливается напряжение U_ВЫХ =+ Е.

Обозначим через γ коэффициент деления делителя цепи ПОС:

γ = .

Тогда напряжение на неинвертирующем входе составит = γЕ.

Конденсатор С1 начинает заряжаться от положительного напряжения U_ВЫХ =+ Е через резистор R3 с постоянной времени τ = R₃ C₁ .

В момент времени t₁ (рисунок 38,б) напряжение на конденсаторе, а следовательно, на инвертирующем входе станет равным :

U_C = = Е (1– ).

На этом формирование положительного импульса заканчивается. Так как это напряжение приложено к инвертирующему входу, то на выходе ОУ устанавливается напряжение U_ВЫХ = – Е, а на неинвертирующий вход через цепь ПОС подается напряжение = – γЕ.

В промежутке времени t₁ – t₂ конденсатор С1 перезаряжается напряжением противоположной полярности и стремиться зарядиться до напряжения U_ВЫХ = – Е. В момент времени t₂ напряжение на конденсаторе станет равным U_C = . Это напряжение, приложенное к инвертирующему входу, изменит состояние ОУ и на выходе его устанавливается напряжение U_ВЫХ =+ Е. С момента t₂ начинается процесс формирования второго положительного импульса.

Указанные процессы происходят периодически, в результате чего на выходе мультивибратора формируется последовательность прямоугольных импульсов.

Первый импульс формируется при отсутствии начального напряжения на конденсаторе, и его длительность определяется из соотношения:

t₁ = τ ln .

Второй и последующие импульсы формируются при перезаряде конденсатора от напряжения = – γЕ до напряжения = γЕ . Поэтому они имеют несколько большую длительность:

t_И = τ ln .

Так как в рассмотренной схеме заряд и разряд конденсатора происходит по одной и той же цепи, то длительности выходных положительных и отрицательных импульсов равны, а период следования импульсов равен Т= 2 t_И.

Для изменения соотношения длительностей положительных и отрицательных импульсов, цепи заряда и разряда конденсатора выполняются раздельными. В этом случае в цепи ПОС вместо одного резистора R₃ включают параллельно два резистора разных номиналов. Последовательно с резисторами включают диоды, направление включения которых определяется током заряда и разряда.

Ждущий мультивибратор.

В ждущем режиме мультивибратор осуществляет генерацию одиночных импульсов в момент подачи на его вход запускающих импульсов. Принципиальная схема ждущего мультивибратора (ЖМВ) приведена на рисунке 39,а. Временные диаграммы, поясняющие ее работу – на рисунке 39,б.

В исходном состоянии на выходе мультивибратора поддерживается отрицательное напряжение U_ВЫХ = – Е. Часть выходного напряжения поступает на инвертирующий вход и обеспечивает открытое состояние диода VD1, шунтирующего конденсатор С1. Таким образом , U_Д =U_{ВЫХ ,} где R_Д – сопротивление диода.

а) б)

Рисунок 39 Ждущий мультивибратор.

Напряжение на неинвертирующем входе = –γЕ. При подаче на вход короткого положительного импульса с амплитудой U_ЗАП > схема переходит в состояние, при котором U_ВЫХ = + Е. Напряжение на неинвертирующем входе становится равным = γЕ. С этого момента в схеме развивается переходный процесс, определяющий длительность положительного выходного импульса ЖМВ. На этом этапе диод VD1 закрыт и конденсатор С1 заряжается через резистор R₃ . Напряжение на конденсаторе приложено к инвертирующему входу, и когда оно достигнет значения , начинается переход схемы в исходное состояние. На выходе ОУ устанавливается напряжение U_ВЫХ = – Е. Конденсатор начинает перезаряжаться напряжением противоположной полярности. Когда напряжение на конденсаторе станет равным нулю, открывается диод VD1 и перезаряд конденсатора прекращается. Новый цикл начинается с приходом запускающего импульса.

Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы период следования запускающих импульсов Т был больше суммы, определяемой временем формирования импульса t_И и временем восстановления t_В:

Т ≥ t_И + t_В.

Длительность выходного импульса, формируемого ЖМВ, равна:

t_И == τ ln ,

где τ == R₃ C₁ , а γ = .

Длительность импульса можно регулировать изменением τ или γ.

Время восстановления t_В= τ ln(1+γ ).

Генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

Выходное напряжение этих генераторов строго линейно зависит от времени. Иначе говоря, закон изменения напряжения (тока) во времени должен в минимальной степени отклоняться от выражения:

U(t)= U₀ +At ,

где U₀ - постоянное напряжение;

A - коэффициент пропорциональности;

t – время.

Чаще всего ГЛИН используют в блоках развертки осциллографов, телевизионных приемниках и передатчиках, а так же в схемах селекторов импульсов по длительности.

Принцип действия практически всех генераторов линейно изменяющихся напряжений основан на заряде конденсатора от источника постоянного тока. ГЛИН на операционных усилителях строят на основе интеграторов. Одна из возможных схем генератора показана на рисунке 40.

Рисунок 40 Схема и временные диаграммы работы ГЛИН.

При подаче на вход отрицательного импульса конденсатор начинает заряжаться и напряжение на нем изменяется по закону:

U_ВЫХ = U_BX (1– ),

Так как постоянная времени заряда конденсатора τ= R₁C₁ выбирается много больше длительности входного импульса t , то ≈ 1- .

Следовательно напряжение на конденсаторе изменяется по линейному закону:

U_ВЫХ = U_BX .

Это соотношение имеет погрешность порядка 1/К, где К- коэффициент усиления ОУ (К≈10⁵). Для периодического сброса в нуль напряжения конденсатора (после окончания действия входного сигнала) используется полевой транзистор VТ1, подключенный параллельно конденсатору.

Когда напряжение на конденсаторе достигнет значения, при котором транзистор VТ1 открывается, С1 разряжается через него.

Длительность генерируемого импульса определяется по формуле:

t_и= τ ,

где U_ОТС - напряжение включения транзистора VТ1; φ_К -контактная разность потенциалов диода VD1.

Так как U_ОТС зависит от напряжения питания транзистора, то длительность и амплитуду выходного импульса можно регулировать не только уровнем U_ВХ, но и источником Е1. Элементы VD1 и R₃ включаются для температурной стабилизации порога включения транзистора VТ1.