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 U_вых 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 U_вых, за счет делителя R₁, R₂ напряжение на неинвертирующем входе U ⁺ _вх тоже возрастает, а это приводит к еще большему увеличению U_вых. В результате лавинообразного процесса выходное напряжение U_вых 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 t_зар =RC. В момент t₁, когда _вх = U⁺_вх = gE⁺, скачкообразно изменяется режим и U_вых 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/t_u =2.

Для построения мультивибратора со скважностью необходимо, чтобы цепь заряда отличалась от цепи разряда (см. рисунок 2.24). Заряд идет по цепи: U_вых, 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 U_­вх (см. рисунок 2.25,б) с длительностью t_и, 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 U_вх = 0 диод VD открыт, течет ток от источника питания через R, диод VD, источник сигнала U_вх, корпус: .

Напряжение на неинвертирующем входе

где .

Напряжение превышает настолько, чтобы перевести ОУ в режим ограничения, при котором . Конденсатор С при этом заряжен до напряжения U_C (0) = E. Заряд конденсатора идет по цепи Е⁺, выход ОУ, С, VD, источник сигнала U_вх, корпус .

Формирование рабочего хода пилы T_пр.

При подаче в момент t₁ запускающего входного импульса длительностью t_u 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 U_вых.

Длительность рабочего хода T_пр = t_и и постоянная времени RC цепи должны быть рассчитаны так, чтобы к концу интервала t_и конденсатор успел разрядиться до нуля и перезарядиться до .

Формирование обратного хода пилы T_обр.

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 U_С (t) = .