Контрольные вопросы

1. Напишите зависимости выходного напряжения интегратора при постоянном, линейном и квадратичном изменениях входного сигнала.

2. Если задать положительное опорное напряжение интегратору, что изменится на его выходе?

3. Укажите области практического использования компараторов.

Лабораторная работа №4 Исследование оу в схемах с положительной обратной связью (ч. 1) Краткая теория

Если сигнал обратной связи в ОУ подается с выхода на неинвертирующий вход, то обратная связь будет усиливать действие входного сигнала. Такое соединение называется положительной обратной связью. На такой обратной связи работают все генераторы электрических колебаний сигналов той или иной формы.

Генератор колебаний прямоугольных импульсов

Генератор колебаний прямоугольной формы – это схема, используемая в вычислительной технике для получения сигнала, синхронизирующего работу отдельных частей всей вычислительной системы. Он работает как автоколебательный ключ, непрерывно переключающийся между двумя уровнями постоянного напряжения без использования внешнего сигнала запуска.

Рис. 4.1. Получение прямоугольных импульсов:

а – упрощенная структура; б – изменение выходного напряжения

На рис. 4.1, а показана упрощенная структура, выполняющая данную функцию. График на рис. 4.1, б показывает изменение выходного напряжения. Частота колебаний здесь равна 1/ Т.

На рис. 4.2 представлена схема генератора прямоугольных импульсов (ГПИ), в котором в качестве переключающего устройства используется ОУ. Источники питания ОУ (на схеме не показываются)

Рис. 4.2. Работа генератора ГПИ:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы

+U_и.п. и –U_и.п. задают амплитуду выходного напряжения с крутыми

передними и задними фронтами импульсов. Период колебаний опре-

деляется формулой

Т = 2RC ln (1+ 2R₁/R₂), (4.1)

где RC – постоянная времени схемы.

Для того чтобы понять, как работает генератор, предположим, что за счет неидентичности характеристик входных цепей реальных ОУ возникающая разность потенциалов (U₂–U₁) за счет большого K_u приводит к появлению на выходе ОУ максимального напряжения того или иного знака. Предположим, что установилось напряжение положительного знака, так что U_вых= +U_и.п.. В этом состоянии сразу установится напряжение на неинвертирующем входе

U₊=+U₊=R₁U_и.п./(R₁+R₂). (4.2)

Напряжение на инвертирующем входе U_- (верхняя кривая на рис. 4.2, б) будет нарастать по экспоненте в направлении к +U_и.п. с постоянной времени τ=RC. Пока (U_- < +U₊), разность (+U₊ – U_-) положительна и поддерживает максимальное положительное выходное напряжение ОУ. Если в процессе нарастания U_- превзойдет уровень +U₊, разность этих напря жений изменит знак на противоположный, что приведет к смене фазы выходного напряжения ОУ, которое станет равным –U_и.п.. Схема переключится из состояния с положительным выходным напряжением (+U_и.п.) в состояние с отрицательным выходным напряжением (–U_и.п.) (нижняя кривая на рис. 4.2, б). В новом состоянии сразу изменится потенциал неинвертирующего входа

U₊ = –U₊ = –R₁U_и.п. /(R₁ + R₂). (4.3)

Однако конденсатор С препятствует мгновенному изменению уровня U_-. Начнется процесс перезарядки конденсатора C от уровня +U₊ к уровню –U₊, в ходе которого разность напряжений (–U₊–U_-) отрицательна, обеспечивая поддержание отрицательного максимального выходного напряжения ОУ. Схема остается в состоянии отрицательного выходного напряжения до тех пор, пока U_- не превзойдет уровень –U₊. Далее цикл повторяется, формируя на выходе ОУ импульсы прямоугольной формы с крутыми фронтами.

Отметим, что положительная обратная связь подводится к неинвертирующему входу через R₁ и R₂. Чтобы гарантировать соответствующее переключение, общий коэффициент усиления по напряжению этой цепи усилителя должен превышать 1.