Генераторы импульсов на основе операционных усилителей.

Операционные усилители (ОУ) эффективно используют в генераторах импульсов, поскольку они обладают следующими свойствами: большой коэффициент усиления по напряжению ), что облегчает условие самовозбуждения; большой перепад выходного напряжения , уровни которого близки к напряжению источников питания; большое входное Ом) и малое выходное Ом) сопротивления; скорость изменения выходного напряжения .

Вследствие этих свойств ОУ можно считать идеальным переключающим элементом в импульсных и цифровых схемах для рабочих частот до 1 МГц.

Для обеспечения регенеративного режима переключения ОУ охватывают положительной обратной связью (рис. ) напряжению, в результате чего передаточная характеристика (рис. 8.28,а) приобретает гистерезисный характер (рис. 8.28,в), аналогичный триггеру Шмитта. Схема на представляет собой триггер Шмитта на ОУ. Пороговые напряжения такого триггера определяются частью выходного напряжения, поступающего по цепи положительной обратной связи на неннвертирующий вход.

Поскольку выходное напряжение ОУ в режиме триггера Шмитта может принимать только два статических уровня, соответствующих уровням положительного или отрицательного — ограничений, пороговые напряжения определяются соотношениями

где .

Мультивибратор на основе триггера Шмитта на ОУ можно получить введением связи между выходом ОУ и его инвертирующим входом через интегрирующую -цепь (рис. 8.28,г). Принцип работы такого мультивибратора заключается в отслеживании с задержкой напряжения на инвертирующем входе напряжением на неинвертирующем входе которое практически безынерционно повторяет с коэффициентом пропорциональности напряжение .

Рис. 8.28.

На временной диаграмме рис. построены в едином масштабе зависимости На интервале на выходе ОУ установился высокий уровень , на неинвертирующем входе — также практически постоянный потенциал , а на инвертирующем — напряжение экспоненциально стремится к по мере заряда конденсатора С с постоянной времени

где — выходное сопротивление ОУ в режиме положительного ограничения; — входное сопротивление ОУ при .

Перезаряд конденсатора обусловливает уменьшение дифференциального входного напряжения и в момент достижения ОУ переходит в активный режим (область Под действием положительной обратной связи триггер Шмитта переключается в состояние g низким уровнем — выходного напряжения. За время опрокидывания напряжение на конденсаторе не успевает существенно измениться, поэтому отрицательная обратная связь (RC) на процессы переключения влияния не оказывает. На неиивертирующем входе устанавли» вается напряженне .

На интервале напряжение на конденсаторе С стремится с постоянной времени

где — выходное сопротивление в режиме отрицательного ограничения; — входное сопротивление ОУ при .

Интервал Гг завершается в момент совпадения , и последующего регенеративного переключения ОУ в состояние положительного ограничения. Длительности интервалов определяются по экспоненциальным функциям перезаряда конденсатора в диапазоне напряжений между

Если то выражения (8.42) и (8.43) упрощаются и с учетом формул (8.39) — (8.41) имеем

т. e. мультивибратор генерирует прямоугольные импульсы со скважностью . Независимая установка длительностей и соответствующей скважности реализуется при замене резистора R нелинейным двухполюсником (см. рис. 8.26,г).

Скол вершины и впадины выходных импульсов обусловлен емкостной составляющей тока нагрузки ОУ и определяется соотношением сопротивления R и выходного сопротивления ОУ в режиме положительного и отрицательного ограничения

Из выражений (8.40), (8.41) и (8.45), (8.46) следует, что стабильность длительностей и частоты генерации тем выше, а искажения , тем меньше, чем сильнее неравенства .

Мутьтивибратор на рис. 8.28 легко преобразовать в одновибратор поцклгочением диода параллельно конденсатору С (рис. 8.29). Отпирание диода предотвращает дальнейший перезаряд конденсатора и фиксирует схему в устойчивом состоянии. Таким образом, в устойчивом состоянии одновибратора диод открыт через резистор R выходным напряжением соответствующей полярности. Для схемы, показанной на рис. 8.29,а, устойчивым является состояние, когда ОУ находится в режиме отрицательного ограничения. Такой одновибратор генерирует импульс положительной полярности. Если изменить полярность включения диода , то он открывается и фиксирует состояние одновибратора в режиме положительного ограничения ОУ. Соответственно генерируемый импульс имеет отрицательную полярность.

Запускается одновибратор по положительному фронту входного сигнала который дифференцируется цепочкой . Входной днод заперт в исходном состоянии смещением — для предотвращения запуска одновибратора от помех. Входной сигнал переключает ОУ в режим положительного ограничения, и далее формируется импульс длительностью , аналогично интервалу мультивибратора. В момент (рис. ) одновибратор переключается в исходное состояние. На этапе восстановления конденсатор С разряжается до момента (3, когда отпирается диод . Длительность выходного импульса и время восстановления определяются соотношениями

где — постоянные времени, определяемые соответственно из выражений (8.40), (8.41); — падение напряжения на открытом диоде .

Если необходимо уменьшить время восстановления, резистор R шунтируют цепочкой из диода и резистора (рис. 8.29,а).

Рис. 8.29.

Описанные схемы мультивибратора и одновибратора на ОУ позволяют строить схемы с хорошей повторяемостью параметров, высокой нагрузочной способностью и надежностью. Для обеспечения стабильности частоты и длительности импульсов коэффициент пороговые напряжения желательно увеличивать. Однако, поскольку в момент переключения состояний дифференциальное входное напряжение ОУ достигает максимума увеличение у ограничено предельно допустимыми режимами ОУ. При ОУ, критичных к величине дифференциального входного напряжения, применяют схему мультивибратора с емкостной положительной и резистивной отрицательной обратными связями (рис. 8.30,а). Для регенеративного режима переключения мультивибратора положительная обратная связь должна быть глубже, чем отрицательная

В момент переключения на выходе ОУ формируется перепад напряжения , часть которого передается на инвертирующий и неинвертирующий входы, причем . Разность поддерживает ОУ в режиме ограничения. Но вследствие экспоненциального уменьшения тока перегаряда конденсатора С напряжение на неиивертирующем входе уменьшается, стремясь асимптотически к . При совпадении напряжения с напряжением на инвертирующем входе ОУ переходит в активный режим, происходит переключение мультивибратора в другое квазиустойчивое состояние, за которым следует новый цикл перезаряда конденсатора. Постоянные времени перезаряда конденсатора С на интервалах

Длительности интервалов выходного сигнала с учетом формул (8.48) и (8.49)

Для симметричной передаточной характеристики ОУ и выражения (8.50), (8.51) упрощаются

Рис. 8.30.

В таком мультивибраторе скважность выходных импульсов . Для получения другой заданной скважности один резисторов необходимо заменить двухполюсником (см. рис. ), соблюдая условие (8.47).

Основные достоинства мультивибратора (рис. 8.30) — высокая стабильность частоты и небольшое пиковое напряжение между входами ОУ, что расширяет диапазон типономиналов ОУ, применимых в данной схеме.

Аналогичный одновибратор можно получить размыканием отрицательной обратной связи и подачей на инвертирующий вход постоянного смещения (рис. 8.31,а), В зависимости от знака напряжения ОУ находится в состоянии положительного 0) или отрицательного ограничения. При подаче на вход запускающего импульса одновибратор генерирует соответственно отрицательный либо положительный импульс.

На рис. 8.31, б показаны временные диаграммы для . Коэффициент передачи у цепи положительной обратной связи и напряжение смещения должны удовлетворять условию переключения одновибратора в квазиустойчивое состояние

В квазиустойчивом состоянии формируется вершина выходного импульса. В течение времени кондгисатор С перезаряжается с постоянной времени (см. формулу ).

Рис. 8.31.

Формирование импульса заканчивается в момент сравнения напряжений на входах ОУ . Длительность выходного импульса

На этапе восстановления конденсатор С заряжается до исходного значения за время , причем можно вычислить по формуле (8.49) либо в случае ускоренного восстановления через диод по формуле

Достоинства одновибратора (рис. 8.31) — малое пнковов напряжение между входами ОУ и простота перестройки одновибратора на режим генерирования импульсов другой полярности. Для этого достаточно воспользоваться ручной или электронной регулировкой напряжения смещения . Ускоряющий диод VD при такой перестройке неприемлем, так как при перемене полярности выходного сигнала необходимо изменять его полярность.

Для повышения стабильности частоты можно заменить релаксационные процессы, протекающие во времязадающих цепях по экспоненциальному закону, линейными. Линейную релаксацию можно реализовать с помощью интегратора, управляемого постоянными уровнями. Схема мультивибратора (рис. ) представляет собой последовательное соединение в замкнутом контуре инвертирующего интегратора на ОУ и неинвертирующего триггера Шмитта на ОУ .

Если на выходе триггера Шмитта включить параметрический стабилизатор (резистор и двухсторонний стабилитрон VD), то уровни выходного напряжения определяются напряжениями стабилизации стабилитрона и не зависят от разброса и/или дрейфа параметров ОУ и нестабильности питающих напряжений. Параметрический стабилизатор улучшает форму выходного импульса и в пределах динамического диапазона токов стабилизации исключает влияние нагрузки на выходное напряжение и частоту генерации .

Рис. 8.32.

Передаточная характеристика неинвертирующего триггера Шмитта с параметрическим стабилизатором изображена на рис. . Пороговые напряжения переключения триггера определяются сопротивлениями резисторов положительной обратной связи

где

Выходные напряжения триггера Шмитта управляют работой интегратора, напряжение на выходе которого изменяется по линейному закону в пределах

На интервале и в конце интервала напряжение на выходе интегратора :

откуда длительность интервала с учетом формулы (8.52):

Аналогично определим длительность интервала

В частном случае при использовании симметричного стабилитрона , и при получаем , т. е. мультивибратор на выходе формирует напряжение типа меандр с амплитудой и длительностями импульсов . Одновременно на выходе формируется треугольный сигнал с той же амплитудой , что существенно расширяет область применения схемы.

Рис. 8.33.

Если необходимо получить выходные импульсы с произвольной скважностью, резистор R интегратора необходимо заменить нелинейным двухполюсником (рис. 8.32, г). Тогда в выражении , а в выражении .

При выборе ОУ для мультивибратора (рис. 8.32) следует руководствоваться следующими соображениями: должен обладать возможно большим и минимальным входным Током; должен иметь максимальную скорость нарастания выходного сигнала и допускать пиковое входное напряжение .