3.3.3. Генератори сигналів на операційних підсилювачах1.

Як зазначалось, схемотехнічно електронний генератор являє собою підсилювач, охоплений позитивним зворотним зв’язком. В якості підсилювача можуть бути використані також і операційні підсилювачі. Використання ОП дозволяє побудувати стабільні генератори з задовільним відтворенням форми вихідного сигналу.

Релаксаційні генератори. Релаксаційними називають генератори, у яких регулюючий (підсилювальний) елемент працює в перемикаючому (релейному) режимі. Основою релаксаційних генераторів на ОП зазвичай є так званий регенеративний компаратор (тригер Шмітта). Регенеративний компаратор уявляє собою операційний підсилювач з резистивним позитивним зворотним зв’язком. Схема неінвертуючого (а) і інвертуючого (б) регенеративних компараторів представлені на рис. 3.79.

Перехідна характеристика такого компаратора має гістерезис, тобто при збільшенні вхідної напруги і при досягненні порогового значення (U_п для неінвертуючого і −U_п для інвертуючого компаратора) вихідна напруга змінюється від –U_max до +U_max, а при зменшенні вхідної напруги і досягнення порогового значення (−U_п для неінвертуючого і +U_п для інвертуючого компаратора) вихідна напруга змінюється від +U_max до −U_max. Ширина гістерезису дорівнює 2U_п. Значення порогової напруги визначається за виразом U_п = U_max·R₁/R₂ для неінвертуючого компаратора і U_п = U_max·R₁/(R₁ + R₂) для інвертуючого.

а) б)

Рис. 3.79.

Так, інвертуючий регенеративний компаратор, охоплений від’ємним зворотним зв’язком за допомогою інтегруючого RC−кола (див. ч. 2, п. 2.2.9), утворює автоколивальний мультивібратор. На рис. 3.80 показана схема мультивібратора на ОП (а) та часова діаграма його роботи (б).

Коли напруга на конденсаторі u_C(t) досягає порогу спрацьовування регенеративного компаратора (+U_п), схема перемикається і її вихідна напруга стрімко змінює своє значення (+U_max) на протилежне – (−U_max). При цьому конденсатор С почне перезаряджатись в протилежному напрямку доки напруга на ньому не досягне іншого порогу спрацьовування (−U_п). Мультивібратор повертається у вихідний стан і описаний цикл повторюється.

Аналіз роботи схеми мультивібратора дозволяє записати диференціальне рівняння:

du_C(t)/dt = ±(U_max – u_C(t))/(RC),

рішення якого при початковій умові u_C(0) = −U_п має вид:

u_C(t) = U_max – (U_max + U_п)·e^−t/(RC).

Значення напруги спрацьовування компаратора U_п, яка утворюється на конденсаторі (u_C(t) = U_п), буде досягнуто за час t₁ = RC·ln(1 + 2R₁/R₂). Отже період коливань мультивібратора становитиме T = 2t₁ = 2·RC·ln(1 + 2R₁/R₂).

а) б)

Рис. 3.80.

Як видно, період коливань не залежить від напруги U_max, яка в свою чергу визначається напругою живлення. Тому частота коливань мультивібратора на ОП мало залежить від напруги живлення схеми.

Очікуючий мультивібратор (одновібратор), як зазначалось (див. ч. 2, п. 3.3.2.3), дозволяє отримати поодинокий імпульс заданої тривалості. Відлік тривалості імпульсу (t_імп) починається від фронту (або рівня) спеціального імпульсу, який запускає схему. Для того, щоб перейти від схеми автоколивального до схеми очікуючого мультивібратора, необхідно ввести додатково коло запуску і коло «гальмування». Схема одновібратора наведена на рис. 3.81-а, а часова діаграма його роботи – на рис. 3.81-б.

Якщо у вихідному стані напруга на виході ОП від’ємна максимальна (−U_max), то діод VD1 відкритий, і напруга u_C на конденсаторі С, який задає час вихідного імпульсу, невелика і складає близько 0,5 В. При правильному виборі параметрів R₁, R₂, R₃ напруга на неінвертуючому вході ОП не перевищує напруги u_C, тому за відсутності імпульсу запуску U_зап схема знаходиться у стійкому стані. По приході додатного імпульсу запуску достатньої амплітуди (див. рис. 2.80-б) операційний підсилювач за рахунок позитивного зворотного зв’язку перемикається в такий стан, при якому його вихідна напруга стає рівною (+U_max). Діод VD2 закривається і на неінвертуючому вході ОП встановлюється напруга U_п, яка визначається виразом U_п = U_max·R₁/(R₁ + R₂). Під дією вихідної напруги (+U_max) закривається діод VD2. Крім того, ця напруга прикладається до RC-кола, що призводить до заряду конденсатора С. Коли, через час t_імп, напруга u_С досягне порогового значення U_п, операційний підсилювач перемикається і напруга на його виході повертається до значення (−U_max). Конденсатор С почне розряджатися і, через проміжок часу t_розр, що називається часом релаксації, напруга u_С стане від’ємною, діод VD1 відкриється і цикл генерації імпульсу закінчиться.

а) б)

Рис. 3.81.

Процеси в схемі описуються тим же рівнянням, що і для автоколивального мультивібратора, але початкова умова інша (u_C(0) = 0), і його рішення для одновібратора має вид:

u_C(t) = U_max – (U_max + U_VD)·e^−t/(RC),

де U_VD – падіння напруги на відкритому діоді VD1. Звідки, за умови u_C(t_імп) = U_п тривалість імпульсу складатиме:

t_імп = RC·ln((1 + R₁/R₂)·(1+U_VD /U_max)).

З останнього виразу видно, що тривалість імпульсу одновібратора залежить від вихідної напруги насичення ОП (U_max), яка, у свою чергу визначається напругою живлення. Іншим недоліком розглянутої схеми є значний час релаксації, протягом якого на одновібратор не можна подавати імпульс запуску (інакше буде скорочена тривалість вихідного імпульсу). Ці недоліки відсутні у одновібратора, виконаного на спеціалізованих мікросхемах, які називаються аналоговими таймерами.

Генератор прямокутної і трикутної напруг. Як видно з діаграми на рис. 3.80-б, у схемі мультивібратора формується напруга не тільки прямокутної форми, а й форми, близької до трикутної (на конденсаторі). RC-коло, яке задає період коливань мультивібратора, виконує наближене інтегрування вихідних прямокутних коливань. Замінивши це коло інтегратором на ОП, отримаємо генератор, на одному з виходів якого формуються прямокутні, а на іншому − трикутні коливання (рис. 3.82). Тут на підсилювачі ОП1 виконаний неінвертуючий тригер Шмітта, а на ОП2 − інтегратор.

Рис. 3.82.

Інтегратор інтегрує постійну напругу, що утворюється на виході тригера Шмітта. Коли вихідна напруга інтегратора досягає порога спрацьовування тригера Шмітта, напруга на його виході U₁ стрибком змінює свій знак. Внаслідок цього напруга на виході інтегратора починає змінюватися в протилежний бік, поки не досягне іншого порога спрацьовування тригера Шмітта. Змінюючи постійну інтегрування RC, можна змінювати частоту напруги, що формується, в широкому діапазоні. Амплітуда трикутної напруги U₂ залежить тільки від встановленого рівня спрацьовування тригера Шмітта U_п, який для даної схеми включення тригера становить U_max·R₁/R₂ (U_max − напруга насичення ОП).

Період коливань генератора дорівнює подвоєному часу, який необхідно інтегратору, щоб його вихідна напруга змінилася від (−U_п) до (+U_п). Звідси випливає, що T = 4RC·R₁/R₂. Отже, частота напруги що формується не залежить від рівня напруги насичення операційного підсилювача, а, відповідно, і від напруги живлення.

Складність забезпечення високої стабільності амплітуди коливань при мінімальних викривленнях вихідної синусоїди істотно ускладнює побудову генераторів синусоїдальних коливань і керування ними. Кращі результати у багатьох випадках, особливо на низьких і інфранизьких частотах, дає застосування так званих функціональних генераторів.

Блок-схема найпростішого функціонального генератора наведена на рис. 3.83. Він включає генератор прямокутної і трикутної напруги і блок формування синусоїдального сигналу.

Рис. 3.83.

Як показано на рис. 3.82, генератор прямокутної і трикутної напруги складається з тригера Шмітта і інтегратора, що утворюють замкнутий контур. Блок формування синусоїдального сигналу зазвичай представляє собою нелінійний функціональний перетворювач, наприклад, на основі аналогового перемножителя. Якщо частота генератора постійна, то в якості блоку формування синусоїдальної сигналу можна використовувати також фільтр нижніх частот з смугою пропускання трохи вище частоти необхідного синусоїдальної сигналу.