Генераторы сигналов на ОУ
2.8.1 RC-генератор синусоидальных колебаний
Достоинствами RC-генератора синусоидальных колебаний на ОУ являются простота, дешевизна, малые масса и габариты и недостатком – невысокая стабильность частоты генерации.
Рассмотрим схему генератора с мостом Вина (см. рисунок 2.21).
Коэффициент передачи звена обратной связи (моста Вина –R1, R2, C1,C2) равен на квазирезонансной частоте .
Если и , то , .
На рисунке 2.22 приведена АЧХ и ФЧХ моста Вина, из которого видно, что на квазирезонансной частоте фазовый сдвиг равен нулю, а коэффициент передачи звена обратной связи равен 1/3.
На схеме (см. рисунок 2.21) сопротивление R включено для подстройки глубины отрицательной обратной связи, которая необходима для выполнения баланса амплитуд. Встречно-параллельные диоды VD1 и VD2 включены для стабилизации амплитуды выходного сигнала. При слишком больших Uвых диоды попеременно входят в состояние прямой проводимости и увеличивают амплитуду сигнала отрицательной обратной связи, уменьшая коэффициент усиления сигнала.
2.8.2 Автоколебательный мультивибратор
Основными свойствами интегральных операционных усилителей (ОУ), используемых при построении импульсных генераторов, является большое входное (сотни килоом) и малое (десятки омов) выходное сопротивление, большой (сотни тысяч) коэффициент усиления и наличие двух парафазных входов. Полярность выходного напряжения ОУ определяется большим из напряжений U+вх и вх на неинвертирующем и инвертирующим входах соответственно.
Принцип построения генераторов прямоугольных импульсов на ОУ основан на получении замкнутой резисторной или резисторно-емкостной цепи положительной обратной связи (ПОС) при соединении выхода ОУ с его неинвертирующим входом. ПОС обеспечивает возникновение лавинообразных процессов.
Рассмотрим работу автоколебательного мультивибратора на ОУ, в котором ПОС обеспечивается делителем напряжения R1, R2 (см. рисунок 2.23,а) от выхода к неинвертирующему входу. Переключение мультивибратора из одного квазиустойчивого равновесия в другое происходит за счет релаксационного изменения вх. Если в момент t=0 (см. рисунок 2.23,б) включить источник питания ОУ, начинает расти выходное на-
пряжение Uвых, за счет делителя R1, R2 напряжение на неинвертирующем входе U+вх тоже возрастает, а это приводит к еще большему увеличению Uвых. В результате лавинообразного процесса выходное напряжение Uвых скачкообразно увеличивается до Е+, а входное U+вх до gE+, где g-= R2/(R1 +R2), Е – напряжение источника питания интегрального операционного усилителя. вх при этом измениться не успевает и равно нулю. Начинается заряд конденсатора С через R. Это приводит к увеличению вх., стремящегося к Е+ с постоянной времени tзар =RC . В момент t1, когда вх = U+вх = gE+, скачкообразно изменяется режим и Uвых изменяется до , а U+вх =g . Процесс этот происходит лавинообразно.
Конденсатор С, соединенный положительной обкладкой к , а отрицательной – к корпусу, стремится перезарядиться до по цепи: +С, R, выход ОУ, –С. В момент t2, когда вх =–g , снова происходит опрокидывание.
Процессы эти периодически повторяются.
Длительность импульса равна .
Период повторения импульсов .
Скважность Q=T/tu =2.
Для построения мультивибратора со скважностью необходимо, чтобы цепь заряда отличалась от цепи разряда (см. рисунок 2.24). Заряд идет по цепи: Uвых, R’, VD1, С, корпус, разряд – по цепи: +С, VD2, R’’, корпус, –С. Длительность положительного импульса
.
Длительность отрицательного импульса – .
Скважность – .
2.8.3 Генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)
На рисунке 2.25,а в схеме ГЛИН интегрирующая RC-цепочка включена в цепь отрицательной обратной связи ОУ. Управляется ГЛИН импульсами положительной полярности Uвх (см. рисунок 2.25,б) с длительностью tи, равной времени прямого хода пилы. Входные импульсы подаются на базу диода VD, эмиттер которого соединен с инвертирующим входом ОУ.
В исходном состоянии генератора (t < t1) при Uвх = 0 диод VD открыт, течет ток от источника питания через R, диод VD, источник сигнала Uвх, корпус: .
Напряжение на неинвертирующем входе
где .
Напряжение превышает настолько, чтобы перевести ОУ в режим ограничения, при котором . Конденсатор С при этом заряжен до напряжения UC (0) = E . Заряд конденсатора идет по цепи Е+, выход ОУ, С, VD, источник сигнала Uвх, корпус .
Формирование рабочего хода пилы Tпр .
При подаче в момент t1 запускающего входного импульса длительностью tu диод VD запирается. Скачок положительного напряжения от источника Е переводит ОУ в линейный усилительный режим и ОУ начинает интегрировать постоянное напряжение Е, являющееся для него входным. Положительный скачок на входе в момент t1 дает отрицательный скачок на выходе.
Заряженный конденсатор С начинает медленно разряжаться, вызывая увеличение напряжения , которое обусловливает уменьшение выходного напряжения Uвых.
Длительность рабочего хода Tпр = tи и постоянная времени RC цепи должны быть рассчитаны так, чтобы к концу интервала tи конденсатор успел разрядиться до нуля и перезарядиться до .
Формирование обратного хода пилы Tобр .
В момент t2 окончания входного импульса отпирается диод VD. скачкообразно уменьшается до , при котором ОУ выходит из режима усиления. увеличивается до Е+, конденсатор, заряженный до с большой скоростью, определяемой сопротивлением открытого диода VD, разряжается до нуля и заряжается до исходного напряжения UС (t) = .