6. Формирователи напряжения прямоугольной формы на основе оу

Формирователи напряжения прямоугольной формы, имеющие ха­рактеристику преобразования, аналогичную характеристике тригге­ра Шмитта, могут быть построены на основе ОУ различных типов. Та­кие формирователи по сравнению с обычными транзисторными триг­герами Шмитта имеют повышенную стабильность уровней срабаты­вания, лучшие нагрузочные характеристики, большие функциональ­ные возможности. Эго позволяет широко применять их в качестве схем сравнения (компараторов) двух сигналов. Схемы простейших фор­мирователей прямоугольного напряжения показаны на рис. 8.33, а, в.

Формирователи представляют собой регенеративные устройства с положительной обратной связью. Уровень их срабатывания опреде­ляется значением напряжения Е_о и его можно легко регулировать в широких пределах. В частном случае, когда Е_о = 0, формирователь срабатывает по собственному порогу, т. е. как триггер Шмитта.

Рассмотрим работу формирователя (рис. 8.33, а). Он представля­ет собой ОУ, охваченный положительной ОС с помощью резисторов /?₂, /?₃, коэффициент ОС у = /?₂/ (Я_а + /?₃).

Из теории обратной связи известно, что усилитель, охваченный ОС, переходит в автогенераторный режим или становится регенеративным устройством при выполнении условия /(у>1; следовательно, если

RJ (Ra + Ra) > l/^, то данное устройство будет обладать регенера⁷ тивными свойствами и выходная характеристика будет релейной.

Пусть на инвертирующий вход подано входное напряжение, мень­шее Е_о. Тогда ОУ находится в состоянии, в котором выходное напря-

Рис. 8.33. Схема простейшего формирователя прямоугольного напряжения (а)' и его передаточная характеристика (б); схема формирователя с улучшенными характеристиками (в)

жение равно U*_{m max}. Значение этого напряжения определяется ти­пом ОУ и напряжениями питания. В этом случае на неинвертирующем входе ОУ имеется напряжение

■ №max ^о) ^ ^вых max^2+^0^

Если пренебречь влиянием синфазного сигнала, то можно считать, что выходной сигнал ОУ начнет изменяться в том случае, если между его входами будет разность напряжений, меньшая

где К — коэффициент усиления ОУ.

Таким образом, если входное напряжение ы_В1 будет меняться, то в тот момент, когда разность напряжений между входами станет мень­ше △«!, напряжение на выходе ОУ изменится. ОУ выйдет из состоя­ния насыщения и начнется регенеративный процесс. Так как на неин­вертирующем входе напряжение равно и_и1, то регенерация начнется в момент времени, когда

“вх1 _тах + ^Е0

И

^2 ^2+^8

^2 4*^8

ЛИ

► 1 = / / -г 'вх1 ^ вых max

В результате процесса регенерации ОУ окажется снова в состоянии насыщения, но выходное напряжение будет уже противоположного знака и равно [7^_Хтах- Процесс регенерации в этом случае сводится к следующему: как только входное напряжение стало равным и_вх1, усилитель выходит из насыщения. Выходное напряжение начинает уменьшаться, уменьшая тем самым напряжение на неинвертирующем входе. Это приводит к уменьшению развдсти потенциалов между вхо

дами и дальнейшему уменьшению выходного напряжения. После того как выходное напряжение перейдет нулевое значение, разность потен­циалов между входами начнет возрастать по модулю, но полярность меняется на противоположную. Процесс протекает лавинообразно, и в итоге усилитель попадает в насыщение по другой полярности. На входе ОУ, который не инвертирует входной сигнал, установится напряжение

„ ₌ р (I ^вях max | ^О ^» _ > , i Л-Р ( ^

^Й ° I‘"'вых max|

Это состояние будет устойчивым при всех значениях входного на­пряжения, больших и_вп. Таким образом, как только входное напря­жение достигнет м_вх1, выходное напряжение, как и у триггера Шмит­та, изменит свое значение.

Если теперь начнем уменьшать входное напряжение, то выходное напряжение не меняет своего значения до момента, пока ОУ не вый­дет из насыщения, что будет иметь место при дифференциальном сигна-¹ ле ОУ

Дм₂ = -fcmaxl . ₍₈₃.

к

Процесс регенерации, обусловленный выходом ОУ в активную об­ласть, начнется при

Подставив (8.3) в (8.4) .получим

Разные входные напряжения, при которых формирователь сраба­тывает, говорят о наличии гистерезиса, аналогичного гистерезису у триггера Шмитта. Ширина петли гистерезиса определится разностью входных напряжений м_вх1 и u_Bl2:

Дм = м_ВХ1 «вй = U^ _та/ ’ т)"^^⁰ r ^r ^° r +R

ЭЛЕКТРОНИКА 1

ЭЛЕКТРОНИКА 3

И- 2

к_ш=и*_ш/и²_ш0> 1

обращается в нуль. Если у > 1/К, то (8.5) можно упростить и записать в виде

△« = max + I Uж max I) ’

Таким образом, передаточная характеристика формирователя будет иметь вид, показанный на рис. 8.33, б.

Напряжение Е_о смещает середину петли гистерезиса, практически не меняя ее ширины, которая зависит от коэффициента обратной свя­зи у и уровней ограничения ОУ. Следует обратить внимание на то, что при малом у коэффициент усиления ОУ оказывает влияние на ширину петли гистерезиса.

Рис. 8.34. Схемы формирователей на основе ОУ

Нестабильность (/^тахИ ^^хтах приводит к изменению ширины петли гистерезиса. Этого недостатка лишен формирователь, схема ко­торого показана на рис. 8.33, в, где напряжение ОС стабилизировано по обеим полярностям с помощью стабилитронов Д^ и Д₂. При этом все полученные выше выражения остаются справедливыми, только в них вместо Щ^тах и 1/_вщтю необходимо подставлять напряжение стабилизации соответствующего стабилитрона, добавляя к нему па­дение напряжения на стабилитроне, который при данной полярности выходного напряжения выполняет функции открытого диода.

Возможны и другие схемы выполнения формирователей с харак­теристиками типа триггера Шмитта, например такие, как показано на рис. 8.34.

У формирователя (рис. 8.34, а) в цепь обратной связи включен диод Д. Введение его приводит к тому, что один уровень срабатыва­ния, для уменьшающегося и_вх, приблизительно равен Е_п. Второй уровень, для увеличивающегося к_вх, определяется из выражения

и т Е

Если значения входного напряжения меньше второго уровня сра­батывания, то цепь будет работать как «защелка». Действительно, сто­ит только раз входному напряжению уменьшиться ниже Е_о, как фор­мирователь сработает и останется_в^фом положении до тех пор. пока

не будет подан входной сигнал, больший второго уровня срабатыва­ния формирователя.

Для уменьшения длительности фронтов не следует допускать на­сыщения каскадов ОУ. Это можно предотвратить введением нелиней­ной отрицательной ОС, как, например, показано на рис. 8.34, б.

В этой схеме диоды Д₁₍ Д₂ выполняют функции нелинейных эле­ментов отрицательной ОС и открываются тогда, когда выходное на­пряжение выходит за пределы уровней, задаваемых делителем R₃ R₃. При открывании диодов появляется глубокая отрицательная ОС, резко уменьшающая коэффициент усиления и препятствующая даль­нейшему увеличению или уменьшению и_ВЫх- Диоды Д₈, Д₄ включены для ограничения значения синфазного сигнала на входе ОУ,