2.3. Мультивибраторы на основе операционных усилителей

В составе мультивибратора операционный усилитель используется в качестве компаратора. Схема симметричного мультивибратора на операционном усилителе приведена на рис. 4.13 а. Ее основой служит операционный усилитель, охваченный положительной обратной связью (рис. 4.13б). В таком включении его статическая характеристика аналогична характеристике реле с гистерезисом (рис. 4.13в).

Рис.4.13. Симметричный мультивибратор на ОУ.

Автоколебательный режим работы создается благодаря подключению к инвертирующему входу операционного усилителя времязадающей цепи из конденсатора Си резистора. Предположим, что в начальный момент времени напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входами. Тогда напряжение на выходе операционного усилителя будет близко к потенциалу минусового источника питания. Напряжение на неинвертирующем входе будет определятся делителем напряжения

,

где – коэффициент передачи положительной обратной связи.

Выходное напряжение схемы заряжает конденсаторCчерез резистор. В какой-то момент времени экспоненциально изменяющееся напряжение на инвертирующем входе сравняется с напряжением на неинвертирующем:. В следующий момент времени напряжение между входами меняет полярность, в результате чего полярность напряжения на выходе операционного усилителя также изменится:. Напряжение на неинвертирующем входе изменяет свой знак, и фиксирует положительное выходное напряжение. С этого момента времени начинается перезарядка конденсатора от уровня напряжениядо уровня. В какой-то момент времени напряжение между входами операционного усилителя вновь становится равным нулю, что вызывает его переключение в противоположное состояние. Далее описаные процессы повторяются.

Длительность импульса можно определить из времени заряда конденсатора:

,

где .

Положив ,найдем:

; (4.17)

Определив длительность импульса несложно определить частоту симметричного мультивибратора

. (4.18)

Если принять то формулы (4.17) и (4.18) примут вид:

; (4.19)

. (4.20)

Схема несимметричного мультивибратора, для которого приведена на рис. 4.14а. Несимметричному режиму работы соответствуют различные постоянные времени при заряде конденсатора положительным и отрицательным напряжением. Это достигается включением двух параллельных диодно–резистивных ветвей в цепь отрицательной обратной связи. ДиодVD₁ открыт при положительной полярности выходного напряжения, а диодVD₂ – при отрицательной. В первом случаево втором. Временные диаграммы выходного напряжения показаны на рис. 4.14б. Длительность импульсов,несимметричного мультивибратора рассчитывают по формуле (4.19) с подстановкой соответствующих значенийи, а его частоту определяют по формуле:

. (4.21)

Рис.4.14. Несимметричный мультивибратор на ОУ.

На выбор сопротивлений резисторов ,,,,накладываются ограничения по предельно допустимым режимам работы операционного усилителя. Выбор сопротивлений осуществляют с учетом максимально допустимого выходного тока усилителя, который образуется из трех составляющих: тока нагрузки

,

тока цепи положительной обратной связи

,

и тока отрицательной обратной связи

,

где - максимальное напряжение, до которого успевает зарядиться конденсатор.

Приняв, получим

. (4.22)

В схеме несимметричного мультивибратора (рис.4.14 а), это условие должно выполняться для наименьшего из сопротивлений или.

Ограничения по максимальному сопротивлению резисторов вводят для уменьшения влияния нестабильности выходного и входных сопротивлений усилителя на длительности выходных импульсов и частоту мультивибратора.

Длительность фронтов импульсов определяется временем переключения операционного усилителя при управлении большим уровнем входного сигнала и лежит в пределах 0,3-0,5 мкс.