Генераторы напряжения прямоугольной формы.

Принцип работы генератора напряжения прямоугольной формы разберем на примере схемы рис. 8.31, а. В состав ее входят два дифференциальных усилителя RS-триггер и управляемый им электронный ключ S. Дифференциальные усилители имеют большой коэффициент усиления по напряжению и выполняют роль компараторов напряжений. Компараторами называются устройства, используемые для сравнений двух или нескольких сигналов. Так, если, например, на неинвертирующем входе усилителя напряжение меньше, чем , то на его выходе будет низкий уровень выходного сигнала, соответствующий коду 0 для триггера .

Рис, 8.31. Упрошенная схема генератора напряжения прямоугольной формы (а); диаграммы напряжений на конденсаторе С (б) и выходе триггера (в)

При повышении входного напряжения и достижения им уровня, большего , на выходе будет высокий потенциал, соответствующий коду 1. Ввиду большого коэффициента усиления по напряжению у усилителя обычно можно считать, что изменение выходного сигнала компараторов происходит в моменты равенства напряжений на их дифференциальных входах.

Пусть в исходном состоянии конденсатор С разряжен . Тогда на выходе компаратора будет логический 0, а на выходе компаратора — логическая 1. Триггер находится в состоянии 1 и ключ S разомкнут.

Конденсатор С заряжается от источника напряжения питания через резистор . Напряжение на нем нарастает по экспоненциальному закону

В момент времени напряжение станет равным напряжению . На выходе компаратора появится напряжение логического 0, которое не может изменить состояние триггера . Конденсатор С продолжает заряжаться. В момент времени напряжение станет равным . При этом на выходе компаратора появится логическая 1. При подаче логической единицы на вход R триггер установится в нулевое состояние и ключ S замкнется. Параллельно конденсатору С подключится резистор . Тем самым создается цепь разрядки конденсатора. Разрядка осуществляется разностью токов резисторов . Однако если выполняются условия близко к , то током резистора можно пренебречь ввиду его малости. В этом случае изменения напряжения можно охарактеризовать уравнением

Как только напряжение достигнет значения , сработает компаратор и переведет триггер в состояние 1. Ключ S разомкнется и процесс зарядки и разрядки конденсатора повторится. Промежутки времени, в течение которых происходит зарядка и разрядка конденсатора С, а выходной сигнал триггера остается неизменным, часто называют стадиями квазиравновесия (почти равновесия). Длительность их найдем из уравнений (8.26), (8.27). Подставив в (8.26) вместо значения , найдем промежутки времени :

Преобразуем (8.28), (8.29) и прологарифмируем:

Так как длительность стадии квазиравновесия, определяемая зарядкой конденсатора С,

то, подставив (8.30), (8.31) в (8.32), получим

Длительность промежутка времени найдем из (8.27), подставив вместо напряжение :

Преобразовав (8.34) аналогично рассмотренному, получим

Период колебаний

а частота

Длительность фронтов прямоугольного напряжения определяется параметрами триггера и обычно оценивается удвоенным временем задержки распространения у ЛЭ, на основе которых выполнен -триггер.

Генераторы напряжения прямоугольных форм часто называют мультивибраторами. Они относятся к классу релаксационных генераторов, т. е. генераторов, у которых изменения состояния отдельных активных приборов происходят в результате процесса регенерации (см. § 8.4).

Рассмотренный принцип получения прямоугольного напряжения используется в микросхеме интегрального таймера (рис. 8.32, а). В нем ключ S выполнен на транзисторе , на выходе установлен дополнительный буферный элемент , а роль источников опорных напряжений выполняет делитель напряжений на резисторах .

Рис. 8.32. Упрощенная схема таймера (а) и его включение мультивибратором (б)

Схема включения его мультивибратором показана на рис. . При таком включении конденсатор С заряжается через резисторы до напряжения , а разряжается через резистор до напряжения .

Длительность стадий зарядки и разрядки конденсатора С можно оценить с помощью уравнений

Частота генерируемых импульсов

Следует отметить, что минимальное значение ограничено параметрами ключа и при , как правило, около 50 не.

Структуры, подобные рассмотренным, обеспечивают получение прямоугольных напряжений со сравнительно стабильной частотой (изменение частоты из-за влияния внешних факторов менее десятых — сотых долей процента).

Худшие результаты получают при использовании мультивибраторов, у которых непрерывно изменяются полярность и значение напряжения, от которого заряжается конденсатор С. Примером такого подхода служат схемы, приведенные на рис. 8.33, а, б. В обоих схемах усилитель работает в режиме регенеративного компаратора, у которого полярность и значение опорного напряжения изменяются в зависимости от полярности выходного сигнала. Процессы регенерации возникают вследствие наличия у обоих устройств широкополосной положительной ОС.

Рис. 8.33. Мультивибраторы на операционных усилителях: а - с накопителем электрической энергии в цени отрицательной ОС; б - с накопителем электрической энергии в цепи положительной ОС

Выходное напряжение усилителя, охваченного цепью положительной ОС с , может принимать два стабильных во времени значения: ивыхтлх и Это объясняется тем, что его активные приборы в результате процесса регенерации попадают в режим ограничения по соответствующей полярности.

Для примера рассмотрим схему рис. 8.33, а. Пусть в результате процесса регенерации ОУ оказался в насыщении по отрицательной полярности. Его выходное напряжение Напряжение на неинвертирующем входе определяется коэффициентом положительной и равно

Если бы ОУ оказался в состоянии насыщения по положительной полярности, то на его выходе было бы напряжение а на неинвертирующем входе появилось бы напряжение :

Компаратор на ОУ срабатывает в моменты, когда напряжения на конденсаторе достигают значений или .

Будем считать, что компаратор только что сработал при напряжении и напряжение на конденсаторе С равно . Конденсатор начнет перезаряжаться через резистор , причем напряжение, создающее ток перезарядки, эквивалентно (см. рис. 8.31, а):

Напряжение на инвертирующем токе изменяется с течением времени

При усилитель выходит в активную область. Начинается процесс регенерации, в результате которого происходит лавинообразное изменение выходного напряжения. Подставив в (8.41) значение , получим

Решив его аналогично рассмотренному, получим

При выходном напряжении ОУ к конденсатору С в начальный момент времени приложено напряжение, эквивалентное в схеме рис. 8.31, а:

Уравнение, характеризующее изменения напряжения на инвертирующем входе ОУ, при зарядке конденсатора С через резистор имеет вид

Стадия квазиравновесия, при которой происходит «медленное» изменение напряжения на конденсаторе С, кончается при . Подставив значение в (8.45) и решив его, получим

Частота колебаний . Меняя можно изменять как частоту, так и скважность следующих друг за другом прямоугольных импульсов. Подобные мультивибраторы удовлетворительно работают в диапазоне частот доли .

Мультивибратор на рис. по принципу работы аналогичен рассмотренному. Отличие его в том, что времязадающий конденсатор С включен в цепь положительной обратной связи, а уровни пороговых напряжений изменяются на неинвертирующем входе. Это осуществляется с помощью резисторов .

Диоды и резисторы включены для защиты входа ОУ от больших значений дифференциального входного напряжения.

Рис. 8.34. Мультивибратор на (а); мультивибратор с «мягким» возбуждением (б); генератор с кварцевой стабилизацией частоты (в)

Применение их обязательно в тех случаях, когда разность напряжений на дифференциальных входах превышает максимально допустимое напряжение для данной микросхемы.

Мультивибраторы, к стабильности частоты которых не предъявляются жесткие требования, часто выполняют на ЛЭ (рис. 8.34, а, б). Они эквивалентны схеме рис. 8.33, б, так как ЛЭ — это усилители с большим коэффициентом усиления, имеющие два значения пороговых напряжений: обеих схемах имеется положительная обратная связь. Стадии квазиравновесия обусловлены тем, что после процесса регенерации, возникающего при выходе в активную область всех ЛЭ, входящих в петлю ОС, ко входу ЛЭ окажется приложенным напряжение, большее или меньшее . По мере зарядки конденсатора С напряжение на входе соответственно снижается или повышается до уровня, при котором ЛЭ выйдут в активную область, и процесс регенерации повторится. Подобные мультивибраторы имеют невысокую временную и температурную стабильность частоты колебаний. Так, для ЛЭ серии 155 нестабильность частоты может достигнуть 5—10% при изменении напряжения питания на 5%. Колебания температуры от 5 до меняют частоту на 10—20%.

Промышленность выпускает специальные микросхемы мультивибраторов, например . Изменяя емкость дополнительного навесного конденсатора, у них можно изменять частоту автоколебаний от долей Гц до 80 МГц.

Для получения высокой стабильности частоты вместо времязадающего конденсатора часто включают кварцевый резонатор (рис. 8.34, в). При этом вследствие высокой добротности кварцевого резонатора форма импульсов отличается от прямоугольной.

Генераторы напряжений экспоненциальной формы.

Эти генераторы аналогичны рассмотренным. Отличие их заключается в том, что выходное напряжение снимается с времязадающего конденсатора С, на котором оно меняется по экспоненциальному закону.