Генераторы на операционных усилителях.

При построении схем генераторов используется явление самовозбуждения, условия возникновения которого были сформулированы ранее, как условия баланса амплитуд и условия баланса фаз. Для обеспечения их выполнения в каждой конкретной схеме используются цепи положительной и отрицательной обратной связи. Если генератор вырабатывает колебание на одной частоте, он относится к генераторам гармонических колебаний. Выходной сигнал в этом случае по форме близок к синусоиде. Условия баланса фаз в такой схеме выполняется на одной частоте. Если условия самовозбуждения выполняются в широком диапазоне частот, вырабатываемые колебания могут иметь сложную форму, а спектр сигнала представляется рядом гармоник кратных частот. Такую схему часто называют мультивибратором. Пример схемы генератора гармонических колебаний с мостом Вина в цепи положительной обратной связи приведен ниже.

Мостом Вина называется схема, образованная резисторами R1, R2 и конденсаторами C1, C2. Последовательное включение цепей R1C1 и R2C2 приводит к тому, что на некоторой частоте опережение по фазе, вносимое первой цепью, компенсируется равным по величине запаздыванием, вносимым второй цепью, в результате чего именно на этой частоте реализуется условие баланса фаз. Определим коэффициент передачи цепи положительной обратной связи данной схемы в виде комплексной функции частоты. Для этого обозначим , . Тогда

. При условии , на частоте получим

, , .

. Если принять , получим .

Таким образом, при выполнении принятых требований к величинам R1, R2, C1, C2 на частоте коэффициент положительной обратной связи оказывается вещественным и численно равным 1/3. Фазовый сдвиг в цепи положительной обратной связи на этой частоте оказывается равным нулю, следовательно, условие баланса фаз выполнено. Для выполнения условия баланса амплитуд необходимо, чтобы , где .

При разработке практических схем генераторов с мостом Вина в цепи положительной обратной связи можно пользоваться методическими указаниями и рекомендациями, приведенными в методических пособиях “ Применение интегральных микросхем операционных усилителей в схемах активных RC-фильтров и стабилизированных RC-генераторов” , СпбГМТУ 1997 и “Электронные устройства аналоговой обработки сигналов. Схемы на операционных усилителях”, СпбГМТУ 1995.

Генераторы импульсных сигналов.

К ним относятся генераторы импульсов прямоугольной и треугольной (пилообразной) формы. При построении соответствующих схем операционный усилитель используется, как компаратор напряжений. Поэтому рассмотрим предварительно особенности схемы компаратора. Компаратором называется устройство, предназначенное для сравнения двух напряжений, которое, в зависимости от результатов сравнения вырабатывает сигналы с двумя различными уровнями.

Для операционного усилителя этими уровнями могут быть минимальное и максимальное выходные напряжения в соответствии с его амплитудной характеристикой.

На графике изображена зависимость выходного напряженгия ОУ Uout от входного Uin, определяемого, как разность сравниваемых напряжений Uin=U1-U2. Из графика видно, что если эта разность положительна и превышает 2.5 милливольта, выходной сигнал равен +10 вольт. Если эта разность отрицательна и превышает по абсолютной величине 2.5 милливольт, то выходной сигнал равен -10 вольт. Интервал -2.5mV<Uin<2.5mV соответствует зоне нечувствительности компаратора и характеризует точность сравнения. Если одно из сравниваемых напряжений имеет заданный постоянный уровень, оно называется опорным напряжением. При построении схем генераторов опорное напряжение задается , как часть максимального (минимального) выходного напряжения ОУ с помощью резистивного делителя напряжения, образующего цепь положительной обратной связи. Схема такого типа имеет вид:

При Uin=0 схема может находиться в одном из двух возможных устойчивых состояний, определяемых максимальным или минимальным значениями выходного сигнала Uout. При этом опорное напряжение , где -максимум абсолютной величины выходного напряжения. Если в одном из состояний схемы выходное напряжение положительно, то для переключения ее в противоположное состояние нужно подать на вход положительное напряжение, превышающее . После этого выходное напряжение скачкообразно изменит полярность, следовательно, измениться полярность напряжения U0 и для следующего переключения схемы необходимо на ее вход подать сигнал отрицательной полярности. Таким образом, зона нечувствительности схемы лежит в пределах -U0<Uin<U0. На основе рассмотренной схемы реализуется схема автоколебательного генератора прямоугольных импульсов (мультивибратора).

Как видно, основу схемы составляет компаратор, в котором помимо цепи положительной обратной связи имеется цепь отрицательной обратной связи, состоящая из резистора R1 и конденсатора C1. Конденсатор C1 имеет возможность заряжаться под воздействием выходного напряжения U. Если это напряжение положительно, конденсатор заряжается в положительную сторону , если выходное напряжение меняет полярность, то меняется и направление зарядного тока конденсатора. Момент смены направления зарядного тока соответствует моменту достижения напряжением на конденсаторе уровня U0 опорного напряжения. Эта смена происходит периодически, что приводит к периодическому переключению полярности выходного сигнала, т.е. к появлению на выходе последовательности знакопеременных импульсов прямоугольной формы.

Обозначим постоянную времени цепи заряда конденсатора , а коэффициент положительной обратной связи . Тогда, принимая во внимание, что в установившемся режиме работы схемы после каждого ее переключения происходит перезаряд конденсатора от уровня U0 одного знака до этого же уровня другого знака, для временной зависимости напряжения Uc(t) в интервале между двумя переключениями схемы можем записать:

. Первое слагаемое описывает убывание положительного напряжения, имевшегося на конденсаторе в момент переключения, а второе слагаемое описывает заряд конденсатора отрицательным напряжением . Правая часть уравнения соответствует уровню, при котором произойдет очередное переключение. Решая это уравнение относительно переменной , можно определить длительность импульса одной полярности на выходе: . Временная диаграмма для напряжений и приведена ниже.

Из временной диаграммы видно, что положительному напряжению на выходе схемы соответствует участок линейного нарастания напряжения на конденсаторе (начальный участок экспоненты) вплоть до уровня U0, а при скачкообразной смене полярности выходного напряжения наблюдается линейное уменьшение напряжения на конденсаторе до уровня -U0. Очевидно, что увеличение уровня U0 приведет к увеличению периода колебаний и наоборот.

Аналогично влияет на изменение периода и величина постоянной времени R1C1