Мультивибраторы на операционных усилителях

Компаратор. Основой мультивибратора на ОУ служит компаратор — устройство, осуществляющее сравнение двух аналоговых напряжений. В простейшей схеме компаратора входное напряжение сравнивается с некото­рым опорным, в качестве которого обычно используется часть выходного напряжения (рис. 6.21, а). На инвертирующий вход ОУ поступает входное напряжение, а на неинвертирующий вход подается опорное напряжение, снимаемое с делителя R₁, R₂. Таким образом, ОУ охвачен положительной обратной связью по неинвертирующем входу, и выходное напряжение скачком изменяет свою полярность при сравнении входного и опорного на­пряжений.

Принцип действия этого компаратора рассмотрим с помощью переда­точной характеристики - зависимости выходного напряжения от входного (рис. 6.21, б). Пусть входное напряжение U_вх = 0, а выходное U_вых = U_m⁺ (точка 1 на рис. 6.21, б). Напряжение на неинвертирующем входе при этом будет:

где β = R₁/(R₁ + R₂) — коэффициент передачи резистивной цепи R₁, R₂ по­ложительной ОС в компараторе.

Если входное напряжение больше нуля и увеличивается, то при сравнении его амплитуды с опорным, равным напряжению срабатывания U_cp = βU_m⁺, компаратор переключается. При этом произойдет скачкообразное изменение выходного напряжения со значения U_m⁺ на значение U_m⁻ (переход от точки 2 к точке 3 на рис. 6.21, б). Дальнейшее увеличение входного напряжения не изменит состояния компаратора, и напряжение на неинвертирующем входе ОУ будет также постоянным: U_н = βU_m⁻. При уменьшении входного напряже­ния до значения опорного, равного напряжению отпускания U_вх = U_отп = βU_m⁻, произойдет скачкообразный возврат компаратора в исходное состояние. Вы­ходное напряжение при этом изменится с U_m⁻ на U_m⁺ (переход от точки 4 к точке 5 на рис. 6.21, б).

Таким образом, передаточная характеристика компаратора имеет вид пет­ли гистерезиса. Такой компаратор обладает триггерным (переключающим) эф­фектом, и в радиоэлектронике его называют триггером Шмитта.

Сумма напряжений срабатывания и отпускания:

(6.11)

является напряжением гистерезиса. Оно вводится для повышения помехо­устойчивости, что позволяет устранить «дребезг» триггера, т. е. случайное его переключение напряжением помех при отсутствии входного сигнала.

Отметим, что в компараторе на ОУ амплитуда выходного напряжения практически равна напряжению питания: U_вых = U_m^± = ±U_п. Компараторы применяют для формирования сигналов прямоугольной формы из различных видов непрерывных сигналов. В частности, при подаче на вход компаратора си­нусоидального напряжения (рис. 6.22) на его выходе формируется симмет­ричное прямоугольное колебание — меандр.

Пусть в момент времени t = 0 напряжение на выходе компаратора U_вых = U_m⁺. В таком состоянии компаратор будет находиться, пока амплитуда входного напряжения U_вх < U_ср. В момент време­ни t = t₁ входное напряжение станет U_вх = U_ср, и компаратор переключится. При этом выходное напряжение U_вых скачком изменится со значе­ния U_m⁺ на значение U_m⁻. В момент времени t = t₂ входное напряжение станет равным U_отп, и про­изойдет новое переключение компаратора.

Пример 6.5. Рассчитать напряжения срабаты­вания и гистерезиса компаратора (рис.6.21, а), если R₁, = 1 кОм, R₂ = 9 кОм, U_т = U_п = 10В.

Решение. Коэффициент передачи по напряже­нию петли положительной ОС компаратора . Тогда, согласно формулам (6.10) и (6.11), имеем:

В; В.

Мультивибратор на ОУ. Для превращения компаратора в мультивибратор в него вводят времязадающую RC-цепь отрицательной ОС (рис. 6.23, а). После включения питания эта схема, благодаря положительной ОС, обязательно оста­ется в одном из квазиустойчивых состояний. Положим, что в момент времени t = 0 напряжение на выходе стало равным U_m⁺, напряжение на неинвертирующем входе ОУ βU_m⁺, а конденсатор С заряжен до некоторого отрицательного напряжения U_C = βU_m⁻ (рис. 6.23, в). Начиная с этого момента под действием выходно­го напряжения конденсатор С будет перезаряжаться через резистор R, и напря­жение на нем будет стремиться к значению U_m⁺. В момент t = t₁ напряжение на конденсаторе, а значит, и на инвертирующем входе U_и, станет равным напряже­нию на неинвертирующем входе U_н, что, как в компараторе, вызовет скачкооб­разное изменение полярности выходного напряжения с U_m⁺ на U_m⁻.

Начиная с момента времени t = t₁ конденсатор вновь начинает перезаряжаться, и напряжение на нем будет повышаться до амплитуды U_m⁻. Однако в момент вре­мени t = t₂ произойдет сравнение амплитуд напряжений на инвертирующем и не­инвертирующем входах ОУ (рис. 6.23, в), и мультивибратор вновь переключится. Далее процессы в схеме будут периодически повторяться.

Длительность импульса на выходе мультивибратора определяется временем перезаряда конденсатора от уровня напряжения βU_m⁺ до амплитуды βU_m⁻. Можно показать, что

(6.12)

Тогда период повторения

(6.13)

Заменив резистор R цепочкой из двух параллельно включенных диодных ключей (диод последовательно соединен с сопротивлением), получим несим­метричный мультивибратор, в котором длительности положительных и отри­цательных импульсов могут быть различны. Для перестройки частоты повторе­ния импульсов изменяют емкость конденсатора С.

Пример 6.6. Провести расчет симметричного мультивибратора на ОУ (см. рис. 6.23, а), имеющего следующие параметры выходных импульсов: U_m = ±10 В; τ_и = 50 мкс; длитель­ность фронта τ_ф = 1 мкс.

Решение. Когда выбирают тип ОУ, то исходят из необходимости обеспечения тре­буемой скорости нарастания выходного напряжения (длительности фронта dU_вых/dt = U_m/τ_ф = 10 В/мкс) и амплитуды импульса. Таким условиям отвечает операционный усили­тель К140УД10 с параметрами: U_вых = ±12 В при напряжении питания U_п = ±15 В; I_вх = 230 нА; К₀ = 25·10³; R_вх0 = 1 МОм; R_вых0 = 2 кОм; dU_вых/dt = 15...25 В/мкс.

В данном ОУ амплитуда выходного импульса U_m = ±10 В обеспечивается амплитудами напряжений питания U_п = ±12 В. Скорость нарастания выходного напряжения выше тре­буемой, поэтому длительность фронта будет τ_ф < 1 мкс. Из известных условий R << R_вх0 и R₁ + R₂ > R_вых0 выбираем R = 50 кОм; R₁ + R₂ = 10 кОм. Задавшись β = 0,1; R₁ = 1 кОм, по­лучим R₂ = 9 кОм. По формуле (6.12) определим емкость конденсатора

Ф = 5 нФ.

Литературный источник: [1] страницы 358-365.