3.3. Импулсьный режим работы операционных усилителей

Интегральные операционные усилители (ОУ) находят широкое применение в импульсной технике. Передаточная характеристика ОУ имеет вид рис.3.15, соответствующий передаточной характеристике двойного ключа рис.3.9. Уровни входного сигнала ОУ в импульсном режиме работы превышают значения, соответствующие линейной области амплитудной характеристики (см. рис.3.15). В связи с этим выходное напряжение ОУ в процессе работы определяется либо напряжением U ⁺_{вых max} либо U^- _{вых max}.

Работу ОУ в импульсном режиме рассмотрим на примере компаратора, осуществляющего сравнение измеряемого входного напряжения (u_вх) с опорным напряжением (U_оп) рис.3.16. Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. При достижении

Рис. 3.15. Передаточная характеристика ОУ

входным напряжением уровня опорного напряжения происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ, например с U⁺_{вых max} на U^-_{вых max}. При U_оп=0 компаратор осуществляет фиксацию момента перехода входного напряжения через нуль. Компаратор часто называют нуль – органом, поскольку его переключение происходит при U_вх–U_оп≈0.

а б

Рис. 3.16. Схема компаратора на операционном усилителе - а, его передаточная характеристика - б

а б

Рис. 3.17. Схема компаратора с положительной обратной связью и нулевым опорным напряжением - а, его передаточная характеристика - б.

Компараторы нашли применение в системах автоматического управления и в измерительной технике, а также для построения различных узлов импульсного и цифрового действия (в частности, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей).

Широкое применение получил также компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью. Осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов R_{1 ,}R₂ (рис.3.17,а). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом и имеет два устойчивых состояния равновесия напряжений U⁺ и U^- (рис.3.17,б). Схема известна под названием триггер Шмитта или порогового устройства.

Переключение схемы в состояние U^-_{вых max} происходит при достижении U_вх напряжения (порога) срабатывания U_ср, а возвращение в исходное состояние U_вых=U⁺_{вых max}- при снижении U_вх до напряжения (порога) отпускания U_отп. Значения пороговых напряжений находят по схеме, положив U_оn=0:

откуда ширина зоны гистерезиса

Пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис.3.17, б) составляют:

U_ср=χU⁺_{вых max}, U_отп=­-χU^-_{вых max} и U_г=χ(U⁺_{вых мах}+U^-_{вых мах})^-1, где χ=R₁/(R₁+R₂). Схема рис.3.17, а служит основой при построении генераторов импульсов на ОУ.

Триггер Шмитта лежит в основе работы генераторов прямоугольных импульсов. Для получения прямоугольных импульсов широко используют устройства, называемые релаксационными генераторами (релаксаторами) (от англ. relax – ослаблять, уменьшать напряжение ) или мультивибраторами. Они могут работать в одном из трех режимов: 1)автоколебаний; 2) ждущем; 3) синхронизации. На практике чаще применяют устройства, основанные на использовании первых двух режимов.

Автоколебательный мультивибратор предназначен для генерирования прямоугольных импульсов напряжения. Он обладает двумя не устойчивыми состояниями, работает в режиме самовозбуждения и не требует внешнего входного сигнала. В мультивибраторе обычно используют ОУ с положительной обратной связью и время задающей RC цепью, подключенной к инвертирующему входу. Работа автоколебательного мультивибратора рис.3.18, а обеспечивается цепью положительной ОС, приводящей к лавинообразному переходу схема из одного состояния в другое, и цепью отрицательной обратной связи, определяющей период возникающих колебаний. Когда потенциал на входе “-“ мультивибратора достигнет значения -U_выхR₁/(R₁+R₂), устройство переключается и его выходное напряжение скачком изменяет свое значение с –U_вых до +U_вых. При этом потенциал на инвертирующем входе устройства начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет значения +U_выхR₁/(R₁+R₂). Автоколебательный мультивибратор переключается в первоначальное состояние (рис.3.18,б). Частота колебаний выходного напряжения мультивибратора определяется соотношением: ƒ=1/2RC•ln(1+2R₁/R₂). Ждущий мультивибратор (одновибратор) формирует на выходе прямоугольный импульс напряжения определенной длительности при воздействии на вход схемы короткого запускающего импульса. В отличие от автоколебательного мультивибратора ждущий мультивибратор содержит дополнительно цепь, обеспечивающую одно устойчивое состояния равновесия электрического состояния схемы.

а б

Рис. 3.18. Схема автоколебательного мультивибратора - а и диаграмма напряжений - б.

Важнейшим показателям операционных усилителей, работающих в импульсном режиме, является их быстродействие, которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Задержка срабатывания (время задержки выходного импульса) ОУ общего применения составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения – доли микросекунд.

Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные непосредственно для импульсного режима работы и получившие общее название «компараторы». Задержка срабатывания таких микросхем составляет менее 1 мкс, а время нарастания – сотые доли микросекунды. Более высокое быстродействие достигается, в частности, за счет применения высокочастотных интегральных транзисторов и исключения режима их насыщения в схеме ОУ.