Автоколебательный мультивибратор на ОУ

Возможность создания мультивибраторов на операционном усилителе основывается на использовании ОУ в качестве порогового узла (компаратора).

Схема симметричного мультивибратора на ОУ приведена на рис. 2.11, а. Ее основой является компаратор на ОУ с положительной обратной связью, обладающий передаточной характеристикой вида, изображенного рис. 2.11, б. Автоколебательный режим работы создается благодаря подключению к инвертирующему входу ОУ времязадающей цепи из конденсатора С и резистора R. Принцип действия схемы иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рис. 2.11, в.

Рис. 2.11. Автоколебательный мультивибратор на ОУ: а – схема; б – передаточная характеристика ОУ с ПОС; в – временные диаграммы работы

Предположим, что до момента времени t ₁ напряжение между входами ОУ U ₀ > 0. Это определяет напряжение на выходе ОУ Uвых = – U_max и на его неинвертирующем входе U ₊ = – Uпор, причем Uпор = γ U max, где γ – коэффициент положительной обратной связи, равный γ = R ₁/(R ₁ + R ₂).

Наличие на выходе схемы напряжения – U_max обуславливает процесс заряда конденсатора С через резистор R с полярностью, указанной на рис, 2.11, а без скобок. В момент времени t 1 экспоненциально изменяющееся напряжение на инвертирующем входе ОУ (рис.2.11, в) достигает величины напряжения на неинвертирующем входе: – U пор. Напряжение U ₀ становится равным нулю, что вызывает изменение полярности напряжения на выходе ОУ: U _вых = + U _max. Напряжение на неинвертирующем входе изменяет знак и становится равным U ₊ = + U пор.

С момента времени t ₁ начинается перезаряд конденсатора от уровня – U пор. Конденсатор стремится перезарядиться в цепи с резистором R до уровня + Umax с полярностью напряжения, указанной на рис. 2.11, а в скобках. В момент времени t ₂ напряжение на конденсаторе достигает значения + Uпор. Напряжение U ₀ становится равным нулю, что вызывает переключение ОУ в противоположное состояние (рис. 2.11, в). Далее процессы в схеме протекают аналогично.

Таким образом, мультивибратор генерирует напряжение прямоугольной формы «МЕАНДР» с периодом T = t _и1 + t _и2. Так как в данной схеме τ з = τ _раз, и |– Uпор | = |+ Uпор |, то t _и1 = t _и2, то период T генерируемых импульсов:

(2.27)

Учитывая, что + Umax ≈ + E, а Uпор = γ Е, можно привести приближенное выражение для определения периода колебаний в виде:

(2.28)

где γ = R ₁/(R ₁ + R ₂).

Частота следования импульсов симметричного мультивибратора:

(2.29)

На рис. 2.12, а приведена схема ждущего мультивибратора на ОУ, в которой, в отличие от схемы автоколебательного мультивибратора, одно из двух состояний является неустойчивым, а второе – устойчивым. Основой схемы ждущего мультивибратора является схема автоколебательного мультивибратора (рис. 2.11, а), в которой для создания ждущего режима работы параллельно конденсатору С включен диод VD ₁. При показанном на рис. 2.12, а направлении включения диода VD ₁ схема запускается импульсом напряжения положительной полярности, чему соответствует также изменение полярности выходного импульса. При обратном включении диода требуется импульс отрицательной полярности.

В исходном состоянии напряжение на выходе ОУ равно – U max ≈ – Е, что определяет напряжение на неинвертирующем входе ОУ U ₊ = – U пор. Напряжение на инвертирующем входе ОУ U _(–), равное падению напряжения на диоде VD ₁ от протекания тока по цепи с резистором R, близко к нулю.

Рис. 2.12. Ждущий мультивибратор на ОУ:

а – схема; б – временные диаграммы работы

Поступающий входной импульс в момент времени t ₁ переводит ОУ в состояние + Umax ≈ + E (рис.2.12, б). На неинвертирующий вход ОУ передается напряжение + Uпор, поддерживающее его изменившееся состояние. Воздействие напряжения положительной полярности на выходе ОУ вызывает процесс заряда конденсатора С в цепи с резистором R, в которой конденсатор стремится зарядиться до напряжения + Umax ≈ + E. Однако в момент времени t ₂ напряжение на инвертирующем входе ОУ достигает порогового напряжения + Uпор = +γ Umax и происходит возвращение ОУ в исходное состояние (рис. 2.12, б).

Учитывая, что +Umax ≈ +E, а Uпор = γ Е, можно привести приближенное выражение для определения периода колебаний в виде:

(2.29)

где γ = R ₁/(R ₁ + R ₂).

Процесс восстановления исходного состояния схемы должен быть завершен к приходу следующего запускающего импульса. В тех случаях, когда длительность импульса t _и соизмерима с периодом следования запускающих импульсов, возникает задача сокращения времени восстановления. С этой целью параллельно резистору R включают цепь из диода VD ₂ и резистора R ₁, уменьшающую постоянную времени этапа восстановления.