Релаксационный автогенератор

Автогенераторы – это источники электрических колебаний различной формы. Самовозбуждение колебаний в схемах автогенераторов происходит благодаря введению в усилительные каскады положительной обратной связи. Существует большое число автогенераторов на ОУ, отличающихся цепями положительной обратной связи.

Мы рассмотрим только одну из них – генератор прямоугольных импульсов, часто называемый мультивибратором.

В схеме мультивибратора (рис.9) есть две цепи обратной связи. С помощью первой из них ( ) напряжение с выхода ОУ подается на его инвертирующий вход, то есть это цепь отрицательной обратной связи При этом . Другая цепь ( ) образует резисторный делитель. Выходное напряжение ОУ вызывает ток в делителе и на резисторе возникает напряжение,

,

uвых R2 R R1 C

Рис.9. Схема генератора на операционном усилителе

которое, как видно из схемы, поступает на неинвертирующий вход, то есть является напряжением обратной связи. Поскольку совпадает по знаку с , то цепь является цепью положительной обратной связи. Величина – коэффициент передачи цепи положительной обратной связи.

В соответствии с (1) напряжение на выходе схемы равно

(13)

Схема работает так. Пусть, в некоторый момент времени, на выходе усилителя за счет флуктуаций токов в его цепях появляется малоеположительное напряжение . Часть этого напряжения с помощью цепи обратной связи поступает на неинвертирующий вход. Так как напряжение на конденсаторе за счет инерционности процесса заряда не может измениться мгновенно, напряжение на инвертирующем входе некоторое время остается практически неизменным. Поступившее на вход напряжение усиливается схемой, что приводит к дальнейшему увеличению . Таким образом, первоначальное малое поддерживается схемой, и происходит быстрый, лавинообразный процесс нарастания напряжения . На выходе ОУ практическимгновенно появится максимально возможное напряжение .

Появление на выходе + приведет к тому, что конденсатор начнет заряжаться по цепи и напряжение на нем будет расти по экспоненциальному закону. Знак этого напряжения показан на рис.9. Заряд конденсатора идет до тех пор, пока остаётся меньше . Как только немного превысит это напряжение, на выходе усилителя, согласно (13), появится малоеотрицательное напряжение, часть которого проступит на неинвертирующий вход.

В схеме возникнет лавинообразный процесс, обратный рассмотренному выше, в результате которого напряжение почти мгновенно достигнет противоположного уровня , а на неинвертирующем входе установится уровень .

-EК +EК

Рис.10. Осциллограммы напряжений на конденсаторе (1) и на выходе генератора (2)

После этого начнется процесс разряда и перезаряда конденсатора. Когда напряжение на конденсаторе при перезаряде достигнет величины и входное напряжение станет положительным, процесс будет повторяться с начала рассмотрения работы схемы. Осциллограммы напряжения и показаны на рис.10 кривыми 2 и 1, соответственно.

Полупериод колебаний генератора можно определить как время перезаряда конденсатора через резистор под действием от уровня до уровня , то есть

.

Отсюда находится период колебаний:

(14)

Вывод формулы проведен в предположении, что выходное сопротивление ОУ, через которое происходит заряд-перезаряд конденсатора, много меньше .

Контрольные вопросы

1. Как зависит напряжение на выходе операционного усилителя от величины сигналов, поданных на два его входа?

2. Почему схема включения ОУ, изображенная на рис. 4, называется инвертирующей схемой?

3. Чем определяется коэффициент усиления инвертирующего усилителя?

4. Какова роль ключей в схеме цифроаналогового преобразователя?

5. При каких приближениях справедливы формулы (11) и (12) для интегратора и дифференциатора на ОУ?

6. Изобразите примерную временную зависимость выходного напряжения интегратора при подаче на его вход периодической последовательности положительных прямоугольных импульсов.

7. Изобразите примерную временную зависимость выходного напряжения дифференциатора при подаче на его вход периодической последовательности положительных прямоугольных импульсов

8. Почему конденсатор в схеме мультивибратора на ОУ не заряжается до максимального напряжения ?