1.4. Мультивибратор на операционном усилителе

Если в схеме компаратора напряжения регенераторного типа на операционном усилителе изменять напряжение в цепи инвертирующего (или неинвертирующего) входа, то схема будет работать в режиме генерации сигналов прямоугольной формы по принципу работы напоминающей автоколебательный мультивибратор (см. рис. 4.10). Для создания такого режима в схему компаратора (устройство сравнения) на ОУ вводится частотно-зависимая отрицательная параллельная обратная связь по напряжению (инвертирующий вход) через цепь R₁-C, а положительная обратная связь (неинвертирующий вход) осуществляется через резистивный делитель R₂–R₃, задающий значения пороговых напряжений и , определяющих уровни процессов регенерации схемы при состояниях квазиравновесия, рис. 4.12.

Идеальные амплитудные (передаточные) характеристики МВ на ОУ представляют собой гистерезисную петлю при изменениях полярности напряжения на его инвертирующем входе при заданных пороговых уровнях на неинвертирующем входе.

Значения нижнего и верхнего пороговых уровней, определяющих состояния квазиравновесий в схеме, будут равны:

нижнего – , верхнего – ,

где - глубина положительной обратной связи;

, - логические уровни выходных напряжений схемы, определяемые значениями отрицательного и положительного напряжений источников питания ОУ.

Различают две разновидности схем мультивибраторов на ОУ: с источником смещения Е_СМ или без него. Наличие регулируемого источника смещения позволяет изменять длительности генерируемых импульсов.

Временные диаграммы работы МВ на ОУ при отсутствии дополнительного источника смещения показаны на рис. 4.13.

Расчёт временных интервалов для нахождения длительностей импульсов проводится следующим образом.

Записывается общее выражение изменения напряжения на хронирующем (времязадающем) конденсаторе С:

.

Его решение относительно времени t, определяющего длительность импульса, будет иметь вид:

.

Считаем, что в первом состоянии квазиравновесия происходит зарядка конденсатора С с постоянной времени при напряжении на выходе схемы (ОУ) через резистор R₁. Когда изменение напряжения на конденсаторе достигнет и немного превысит заданный пороговый уровень , на неинвертирующем входе заканчивается первое состояние квазиравновесия: ОУ переходит в усилительный режим, возникает регенеративный процесс, напряжение на выходе ОУ скачком изменит знак и уровень напряжения станет равным .

Начинается вторая стадия квазиравновесия, при которой происходит разрядка конденсатора С (через тот же резистор R₁) до вновь установившегося порогового уровня , после чего схема (ОУ) переключается в первое состояние квазиравновесия, и процесс генерации повторяется.

Длительность импульса определяется в интервале изменения напряжения на конденсаторе от значений до . Подставив в исходное выражение U_C(t) или в выражение для t сумму этого изменения напряжения на конденсаторе, получим:

.

Считая значения напряжений , получим упрощённое выражение для определения длительности импульса:

,

где постоянная времени зарядки конденсатора будет равна:

.

Если постоянные времени при зарядки и разрядки конденсатора будут равны (в рассмотренном случае), то и длительности импульсов сформированных на выходе схемы также будут одинаковы. На выходе МВ на ОУ будут двухполярные прямоугольные импульсы, формы меандр:

.

Аналогичные выражения для длительностей импульсов можно получить, используя формулу для определения временных интервалов при переходных процессах в дифференциальных уравнениях первого порядка, так, например:

Максимальная частота генерации импульсов МВ так же, как и его стабильность, будут зависеть от величин параметров элементов схемы, минимальные значения которых определяются предельными параметрами выбранного интегрального ОУ.

Если изменять длительности состояний квазиравновесий ( и ), то получим несимметричный МВ.

Практическую схему такого МВ можно реализовать различными способами, например: использовать разные напряжения и ; включением вместо резистора R₁ регулируемых источников стабильного тока (ИСТ); изменением значений нижнего и верхнего пороговых уровней делителем R₂–R₃ и так далее.

В примере на рис. 4.14 несимметричный МВ реализуется разными величинами сопротивлений резисторов R₁^' и R₁^'', подключаемых к конденсатору С при его зарядке-разрядке.

Д лительность выходного импульса, определяемая зарядкой конденсатора, равна:

;

разрядкой: .

Диоды VD1, VD2, включённые последовательно с резисторами R₁^' и R₁^'', определяют цепь, по которой будет протекать ток при зарядке-разрядке конденсатора.

К ак ранее указывалось, способом изменения длительности (скважности) импульсов МВ является включение дополнительного источника смещения Е_СМ (рис. 4.15).

Для этой схемы длительности импульсов стадий квазиравновесий находятся аналогично рассмотренной схемы (рис. 4.12).

Напряжение на конденсаторе изменяется с постоянной вре-

мени (стадия квазиравновесия) и заканчивается ( ), когда: , а .

Подставив в исходное выражение эти значения, получим длительность импульса при положительной полярности Е_СМ:

.

Длительность импульса при отрицательной полярности импульса МВ (в интервале ) находится из выражения, когда: , а и равна:

.

Если величина тока через конденсатор при квазисостояниях будет постоянной, то на выходе схемы (любой схемы МВ) получим колебания с напряжением треугольной формы.

Следует отметить, что в отличие от схемы симметричного МВ на ИЛЭ, работающего в режиме жесткого самовозбуждения, схемы МВ несимметричного типа на ИЛЭ и на ОУ работают только в режиме мягкого самовозбуждения. Поэтому такие схемы ставятся в качестве первичных задающих источников прямоугольных импульсов.

При подключении конденсатора С в цепь ПОС, длительности квазисостояний такого МВ будут определяться процессами зарядки-разрядки С в цепи неинвертирующего входа ОУ.