11.2. Мультивибраторы

Операционные усилители удобно использовать при построении мультивибраторов, работающих как в ждущем, так и в автоколебательном режимах.

На рис. 11.6 приведена схема генератора сигналов прямоугольной формы (автоколебательного мультивибратора), который реализован на основе компаратора на ОУ с положительной обратной связью. Пороги срабатывания U_ср и отпускания U_отп такого компаратора соответственно равны

; (11.4)

. (11.5)

Операционный усилитель в этой схеме охвачен отрицательной обратной связью, реализованной с помощью пассивной интегрирующей RС-цепи.

Работа схемы сводится к следующему. Когда U_вых=U⁺_нас (рис. 11.6, а), происходит заряд конденсатора С с постоянной времени =RС. До тех пор, пока напряжение на конденсаторе V_C остается ниже порога срабатывания компаратора U_cp, определяемого из (11.4), на его выходе сохраняется значение U⁺_нас. Как только V_C сравнивается с порогом срабатывания U_cр, происходит переброс компаратора в состояниеU_вых=U^_нас. На неинвертирующем входе ОУ устанавливается отрицательное напряжение, равное порогу отпускания, определяемому из (11.5). С этого момента начинается перезаряд конденсатора (с той же постоянной времени) который стремится к величине U^_нас (рис. 11.6, б). Начальное напряжение на конденсаторе равно порогу срабатывания U_ср. При достижении теперь напряжением V_C величины порога отпускания U_отп компаратор возвращается в первоначальное состояние (рис. 11.6, а), причем напряжение на конденсаторе равно U_отп. Конденсатор вновь будет перезаряжаться, стремясь к величине U⁺_нас. При достижении им порога U_ср опять произойдет перерос компаратора и; т. д.

Проиллюстрируем работу мультивибратора в течение одного периода с помощью временной диаграммы (рис. 11.7). На рисунке штрихпунктирной линией обозначен сигналU⁺ на неинвертирующем входе ОУ (сигнал ПОС), сплошной линией  сигнал на инвертирующем входе U^, который совпадает с напряжением на конденсаторе V_C, а также выходной сигнал мультивибратора. Период колебаний мультивибратора задается величиной Т=t₁+t₂.

Интервал t₁ (t₂) определяется временем перезарядка конденсатора с постоянной времени =RC от значения U_отп до U_ср (U_ср до U_отп)Эти величины нетрудно найти, воспользовавшись решением дифференциального уравнения

(11.6)

при соответствующих начальных условиях:

(11.7)

Положив в (11.7) для полупериода t₁ значения Е=U⁺_нас, Vc(0)=U_отп, t=t₁, V_c(t₁)=U_cp, а для полупериода t₂  E=U^_нас, t=t₂, V_c(0)=U_cp, V_c(t₂) =U_отп получим уравнения относительно t₁ и t₂, из которых последние легко получить в виде

Если U⁺_нас=U^_нас, то t₁=t₂ и период

T=2RC ln(1+2 R₁ /R₂ )

Значения R₁ и R₂ можно выбрать из соотношения R₂=(е1)R₁/2 (R₂~0,86/R₁). Тогда T=2RС.

Ждущий мультивибратор (часто его называют одновибраторном) под действием входного сигнала запуска генерирует одиночный импульс заданной длительности. Схемы одновибраторов на основе ОУ могут быть получены из соответствующих схем автоколебательных мультивибраторов. Для этого необходимо последний «затормозить» в одном из его квазиустойчивых состояний, а также организовать цепь запуска (рис. 11.8).

На рисунке диодД1 ограничивает возможность заряда конденсатора при U_вых=U⁺_нас. В этом случае напряжение на конденсаторе возрастает лишь до величины, определяемой падением напряжения на прямо смещенном диоде Д1 (~0,6 В). Если напряжение на неинвертирующем входе V⁺, передаваемое, по цепи ЦОС, превосходит падение напряжения на диоде Д1, то схема будет находиться (сколь угодно долго) в устойчивом состоянии U_вых=U⁺_нас. Это так называемый ждущий режим одновибратора.

Цепь запуска одновибратора, состоящая из дифференцирующей R_вхC_вх-цепи и диода Д2, предназначена для подачи входных сигналов произвольной длительности с целью перевода одновибратора в квазиустойчивое состояние. На выходе дифференцирующей цепи по переднему и заднему фронту запускающего сигнала формируются короткие разнополярные сигналы. Назначение диода Д2 — пропускать на неинвертирующий вход ОУ лишь импульсы отрицательной полярности, которые и осуществляют переброс одновибратора. Если амплитуда входного сигнала превосходит величину порога срабатывания компаратора U_ср, то последний перебрасывается в противоположное (квазиустойчивое) состояние, так как напряжение на входе „+” ОУ станет ниже напряжения на его входе ,,—”.

С этого момента ждущий мультивибратор будет находиться в режиме выдержки. По цепи ПОС на входе „+” ОУ теперь установится отрицательное напряжение, определяющее порог отпускания компаратора. Диод Д1 в этом состоянии не влияет на процессы в схеме, поскольку он оказывается включенным в обратном направлении. Конденсатор С разряжается до 0 В и стремится далее перезарядиться до отрицательного напряжения U^_нас. Как и в схеме автоколебательного мультивибратора, когда напряжение на конденсаторе по абсолютной величине станет чуть больше порога отпускания компаратора, ОУ переключится в состояние U_вых=U⁺_нас. По цепи ПОС на входе „+” установится порог U_cp, а конденсатор С снова перезарядится лишь до напряжения, определяемого напряжением прямосмещенного диода Д1. Ждущий мультивибратор вернется в исходное устойчивое состояние.

Длительность выходного импульса  ждущего мультивибратора можно определить, если положить в выражении (11.7) t=, Е=U^–_нас, V_c()=R₁/(R₁+R₂), V_c(0)=V_c0. Тогда

, (11.8)

где V_c0 — падение напряжения на прямосмещенном диоде Д1 в ждущем режиме одновибратора.

Предположим теперь, что V_c0 ~0, а отношение сопротивлений R₁/R₂ выбрано достаточно малым (R₁<<R₂). Разложив при таких предположениях логарифмический член выражения =RCR₁/R₂. Рассмотренная схема одновибратора по переднему фронту запускающего отрицательного импульса (либо по заднему фронту положительного импульса) генерировала сигнал отрицательной полярности. Чтобы получить ждущий мультивибратор, генерирующий положительный импульс по переднему фронту положительного запускающего импульса (либо по заднему фронту отрицательного импульса), достаточно изменить лишь полярность включения диодов Д1 и Д2.