4.3 Импульсные устройства на операционных усилителях

Широкое применение для построения импульсных (пороговых) усилителей нашли операционные усилители (ОУ), которые в этих устройствах работают на нелинейных участках характеристики (участках насыщения). Выходное напряжение ОУ может принимать одно из двух значений: U⁺_вых.max или U^_вых.max. Это связано с тем, что уровни входных напряжений релейных усилителей намного превышают максимальное входное напряжение, при котором ОУ может работать в режиме усиления.

Напомним, что максимальное входное напряжение (разность между напряжением на прямом входе U_пр и на инвертирующем входе U_инв), при котором ОУ может работать в режиме усиления, составляет сотые доли милливольт.

Если напряжение на входе ОУ выходит за пределы максимального (которое можно считать равным нулю), то ОУ переходит в режим насыщения и выходное напряжение принимает одно из двух значений: U⁺_вых.max или U^_вых.max, - величина которых определяется величиной напряжений источников питания +Е_п и –Е_п. Таким образом, напряжение на выходе ОУ будет равно U⁺_вых.max, если U_пр - U_инв > 0 и U^_вых.max, если U_пр - U_инв < 0.

На рис. 4.9 представлены типовые схемы применения ОУ в качестве порогового усилителя (компаратора). На рис. 4.9, а показан инвертирующий компаратор, на прямой вход которого подано опорное напряжение U_оп, а на инвертирующий вход – входное напряжение U_вх. Пока напряжение на инвертирующем входе U_вх меньше, чем на прямом входе U_оп (U_пр - U_инв > 0), на выходе ОУ сохраняется максимальное положительное напряжение U⁺_вых.max. Когда напряжение на инвертирующем входе U_вх сравняется с опорным и станет чуть больше (U_пр - U_инв < 0), выходное напряжение ОУ изменит знак и станет равным U^_вых.max. Дальнейшее увеличение входного напряжения не изменит состояния ОУ. Таким образом, состояние ОУ зависит от соотношения входного и опорного напряжений. Изменяя опорное напряжение можно менять порог срабатывания компаратора.

На рис. 4.9, б показаны схема и передаточная характеристика неинвертирующего компаратора. Здесь соотношению U_вх – U_оп < 0 соответствует соотношение U_пр - U_инв < 0 и в этом случае выходное напряжение ОУ равно U^_вых.max. При увеличении входного напряжения сверх U_оп соотношение между U_пр и U_инв ОУ меняется на противоположное U_пр - U_инв > 0 и выходное напряжение становится равным U⁺_вых.max.

Широкое применение получили также компараторы, в которых ОУ охвачен положительной обратной связью (рис. 4.10, а). Такой компаратор обладает характеристикой с гистерезисом (рис. 4.10, б). Схема известна под названием триггер Шмитта.

Переключение схемы в состояние U^_вых.max происходит при достижении входным напряжением U_вх напряжения порога срабатывания U_ср, а возвращается в исходное состояние U⁺_вых.max – при снижении U_вх до напряжения порога отпускания U_отп. Значения пороговых напряжений найдем, учитывая, что переключение схемы происходит, когда U_пр - U_инв = 0

откуда ширина зоны гистерезиса

.

Важнейшим показателем 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 микросекунды.

Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные непосредственно для импульсного режима работы и получившие общее название “компараторы”.

Симметричный мультивибратор на ОУ. Основой схемы мультивибратора (рис. 4.11, а) служит компаратор на ОУ с положительной обратной связью. Автоколебательный режим работы создается за счет подключения к инвертирующему входу времязадающей цепи из конденсатора С и резистора R. Принцип действия схемы иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рис. 4.11, б.

Допустим, что перед включением питания конденсатор С разряжен до нуля, и тогда после включения питания на выходе ОУ установится, например, максимальное положительное напряжение U⁺_вых.max, поддерживаемое действием положительной обратной связи с выхода ОУ на прямой вход через резистор R1. Это напряжение поступает на цепочку RC, создавая ток заряда конденсатора С. Напряжение U_C на конденсаторе, подключенном к инвертирующему входу ОУ, начинает увеличиваться. На прямой вход ОУ поступает напряжение U_R2 с делителя R1, R2, подключенного к выходу ОУ. Когда напряжение U_C на конденсаторе С чуть превысит напряжения на U_R2 на делителе R1, R2 (это соответствует состоянию на входах ОУ U_пр - U_инв < 0), ОУ перейдет в состояние с максимальным отрицательным выходным напряжением U^_вых.max. Одновременно с этим напряжение U_R2 на делителе R1, R2 изменит свой знак на противоположный. С этого момента начинается перезаряд конденсатора С в обратном направлении, так как на цепочку RC поступает уже отрицательное напряжение с выхода ОУ. Напряжение на конденсаторе U_C уменьшается и когда оно станет чуть меньше напряжения U_R2 (что соответствует состоянию на входах ОУ U_пр - U_инв > 0), ОУ возвратится в состояние с максимальным положительным напряжением U⁺_вых.max. Далее процессы в схеме повторяются.

Контрольные вопросы:

1. Операционный усилитель. Структурная схема. УГО. Основные характеристики. Использование операционных усилителей (ОУ) с обратными связями.

2. Схемы усилителей, сумматоров, интеграторов на ОУ. Передаточные характеристики.

Литература: [5, 6, 8, 9].