4.4. Релаксационные генераторы на оу

4.4.1. Мультивибратор на операционном усилителе

Рис. 4.10. Мультивибратор на ОУ.

Схема мультивибратора на ОУ представлена на рис. 4.10,а. Конденсатор С и резисторы R1, R₂ образуют интегрирующую RС-цепь: при заряде конденсатора открыт диод VI, ток проходит через R1, при разряде — открыт V2, ток идет через R2. Источником напряжения Е является выходная цепь ОУ. Компаратор выполнен на ОУ с ПОС через цепь R3R₄. При переключениях компаратора на его выходе происходит коммутация цепей заряда и разряда конденса­тора С, т. е. ОУ выполняет сразу несколько функций: ис­точника напряжений заряда и разряда конденсатора, ком­паратора и ключа

Рассмотрим работу мультивибратора. Временные диа­граммы приведены на рис. 4.10,б. Пусть при t < t1 источ­ники питания ОУ отключены: Eп=0, —E_п=0. Конденса­тор С разряжен и Uс=0. В момент t1 подключим Еп и —Е_п, При их включении выходное напряжение ОУ U_Вых откло­нится либо в положительном, либо в отрицательном на­правлении (случайный процесс). Для определенности до­пустим, что произошло положительное приращение U_Вых. Через цепь R3R4 это приращение подается на прямой вход ОУ, усиливается и в свою очередь вызывает приращение U’_вьx. Процесс развивается лавинообразно, в результате в момент t1 скачком устанавливается U_Вых = Uвых max. Начиная с момента t1, конденсатор С заряжается на­пряжением U = Uвых max через резистор R1, так как к ано­ду диода V1 приложено положительное напряжение, пос­тоянная времени =R1C. Нарастающее по экспоненте на­пряжение U_с подается на инвертирующий вход ОУ. На прямой вход ОУ через цепочку ПОС R3R4 подается напря­жение

Uос ⁼ Uвыхmax R4/(R3 + R4) = U0

В момент t=t₂ напряжение на конденсаторе Uс дости­гает значения U₀ и происходит срабатывание компарато­ра. Его переключение протекает лавинообразно (регенера­тивный процесс) и завершается при Uвых = - Uвыхmax. На­пряжение на конденсаторе не может измениться скачком и, начиная с момента t₂, происходит перезаряд конденса­тора через резистор R₂ напряжением U= - Uвыхmax с по­стоянной времени =R₂C (на диоде V2 прямое напряже­ние — минус на катоде). Воздействуя на диод V1 и V2, компаратор осуществляет переключение цепей заряда (V1, R1) и разряда (V2, R₂) конденсатора С. При t₂<t<t3 напряжение на прямом входе ОУ

Конденсатор С не успевает разрядиться до напряже­ния - Uвыхmax, так как в момент t3 напряжение на нем достигает значения —Uo и снова происходит регенеративное переключение компаратора, при этом устанавливается Uвых = Uвыхmax, U_oc=U₀. Вновь начинается этап заряда конденсатора С через резистор R1. При напряжении на конденсаторе U_с (t₄) = U₀ происходит очередное срабаты­вание компаратора.

Установившийся процесс начинается при t=t₂ и ха­рактеризуется изменением напряжения на конденсаторе от U₀ к - U0 и обратно. Интервал t3—t4 определяет длитель­ность импульса tи, длительность паузы tп=t3—t2.

Найдем tи и tп. Для этого воспользуемся анализом схе­мы заряда конденсатора С, выполненным ранее.

Для нахождения tи рассмотрим заряд конденсатора С от источника E= Uвыхmax с постоянной времени =R1C. Процесс начинается при Uс(0) = -U₀ и завершается при U_с(t4) = U₀.

Учитывая зависимость U₀ от U_ВЫх max, получим

tи = R1Cln(1+2R4/R3).

Интервал паузы t_n найдем при рассмотрении переза­ряда конденсатора С от источника Е =

-Uвыx max с посто­янной времени =R₂С; U_с(0) = U₀; Uc(tп)=—U₀.

Период повторения

Т_п = tи + tп = (R1 + R2) С ln (1 + 2R4/R₃).

Скважность

Q = Tп/tи = (R1+ R₂)/R1.

Отметим, что значения tи, t_n, Т_п и Q не зависят от па­раметров ОУ. Это обусловливает высокую стабильность частоты и скважности Q мультивибратора. В реальных мультивибраторах процессы развиваются несколько слож­нее, так как Uвых ОУ при прямом и обратном насыщении не вполне одинаковы по величине, имеется напряжение смещения нуля, срабатывание компаратора происходит при ненулевом напряжении U_с - U_ос. Эти факторы несколько снижают стабильность работы схемы.

Рассмотрим способы регулировки частоты и скважности мультивибратора.

1. При регулировке частоты f скважность Q не должна изменяться. Можно предложить следующие способы регулировки частоты:

а) изменением емкости конденсатора С. Этот способ применяется редко, так как связан с громоздкими решениями;

б) изменением отношения Rз/R4 путем изменения одного из этих сопротивлений. При этом изменяется Uo. Например, при увеличении R4 увеличивается U₀, конденсатор С за время tи должен заряжаться до большего напряжения U₀, но его постоянная времени неизменна, поэто­му t_и растет. Так же изменяется и tп, следовательно, частота f уменьшается.

2. При регулировке скважности необходимо поддерживать посто­янным значение f, т. е. при увеличении длительности импульса на то же значение необходимо уменьшить длительность паузы. Для этого R1 и R₂ в схеме рис. 5.1 выполняются в виде потенциометра, средняя точ­ка которого присоединена к инвертирующему входу ОУ, а крайние точки - соответственно к катоду диода V1 и аноду диода V2. При ре­гулировке сдвигается средняя точка потенциометра, но сумма сопротив­лений R1 + R₂ остается неизменной.

Мультивибратор на рис. 4.11 по принципу работы ана­логичен рассмотренному. Отличие его в том, что времязадающий конденсатор С включен в цепь положительной обратной связи, а уровни пороговых напряжений изменяются на неинвертирующем входе. Это осуществляется с помощью рези­сторов R₁, R₂.

Диоды и резисторы R₄, R₅ включены для защиты входа ОУ от больших значений дифференциального входного напряжения. Применение их обязательно в тех случаях, когда разность напряжений на дифференциальных входах превышает максимально допустимое напряжение для данной микросхемы.