Использование генераторов линейно изменяющегося напряжения с отрицательной обратной связью, выполненные на ОУ.

В настоящее время широко используются генераторы линейно изменяющегося напряжения с отрицательной обратной связью, выполненные на ОУ.

На рис.5 представлена схема ГПН на ОУ с отрицательной обратной связью, представляющая собой интегратор. В этой схеме входная емкость ОУ увеличивается в (1 + К_ОУ) раз (К_ОУ – коэффициент усиления ОУ), что эквивалентно увеличению постоянной времени заряда конденсатора:

. (1)

Напряжение на выходе ОУ меняется по экспоненциальному закону:

Так как ОУ имеют очень большой коэффициент усиления (К_ОУ = 10⁴¼10⁶), то разложение экспоненты в ряд дает:

Таким образом, напряжение на выходе меняется почти по линейному закону. В этой схеме может быть получен очень малый коэффициент нелинейности:

, (2)

В схемах ГПН с ООС, использующих ОУ, возникает задача

сокращения длительности процесса восстановления исходного состояния (U_C = 0). Если не принять специальные меры, то разряд конденсатора протекает по той же цепи, что и заряд, т.е. в этом случае время восстановления будет равно длительности формируемого импульса. Для уменьшения времени восстановления можно использовать два варианта построения схемы. В первом случае параллельно сопротивлению R включают диод (пунктир на рис.), который закрыт во время рабочего хода и открыт во время восстановления схемы. Во втором случае применяют специальные разрядные ключи, в которых используются МОП - транзисторы или оптронные пары.

На рис.6 представлена схема автоколебательного генератора пилообразного напряжения. ОУ1 работает как компаратор напряжения, ОУ2 – интегратор. Временные диаграммы работы схемы представлены на рис.6б.

Компаратор на ОУ1 срабатывает в тот момент времени, когда напряжение на его прямом (неинвертирующем) входе U₂ переходит через нуль. Напряжение U₂, в свою очередь, зависит от напряжения на выходе схемы U_вых = U_вых2:

.

Введем коэффициент . (3)

Тогда . (4)

 

Начнем рассмотрение работы схемы с момента времени t₁, когда напряжение на выходе ОУ1 равно . Выходное напряжение U_вых изменяется почти по линейному закону. Постоянная времени заряда конденсатора равна .

В момент времени t₂ напряжение U_вых достигает значения , при котором U₂ становится равным нулю, что приводит к срабатыванию компаратора. При этом

, (5)

Напряжение U_вых1 (t) на выходе компаратора ОУ1 в момент времени t₂ скачком изменяется от значения до , и после этого напряжение U_вых изменяется почти по линейному закону от до . На этом отрезке постоянная времени равна , т.к. диод открыт.

В момент времени t₃ напряжение U_вых достигает уровня , при котором напряжение U₂ снова становится равным нулю. При этом

= 0. (6)

Компаратор ОУ1 срабатывает, его выходное напряжение изменяется скачком от значения до , а выходное напряжение схемы после момента времени t₃ линейно падает от значения до . Далее процесс повторяется.

 

Получение выражения для длительности прямого и обратного хода

Выражения для длительности прямого и обратного хода можно получить, исходя из равенства зарядов на конденсаторе:

. (7)

Ток заряда конденсатора за время прямого хода равен:

. (8)

Подставляя (8) в (7), получаем выражение для длительности прямого хода:

. (9)

Ток заряда конденсатора за время обратного хода равен: . (10)

Подставляя (10) в (7), получаем выражение для длительности прямого хода:

. (11)

 

Амплитуда выходного напряжения равна

. (12)

Из выражений (5) и (6) имеем:

; (13)

.

Следовательно, амплитуда выходного сигнала равна

. (14)

При = = Е имеем = и

. (15)

Подставляя U_M из (15), имеем выражения для длительностей прямого и обратного хода:

, (16)

.

 

/ 8.1(1), 8.2(1), 8.2(3) /

 

Контрольные вопросы

1. Как меняется напряжение на выходе?

2. Использование двух вариантов для уменьшения времени восстановления.

3. Исходя из равенства зарядов на конденсаторе получить выражения для длительности прямого и обратного хода.

ЛЕКЦИЯ 11. ТРИГГЕРЫ

1. Устройство триггера

2. Насыщенный и ненасыщенный триггеры

3. Условия работоспособности триггера

4. Триггер Шмитта на биполярных транзисторах

5. Триггер Шмитта на операционном усилителе

6. Компараторы

Устройство триггера

Триггером называют устройство, имеющее два устойчивых состояния равновесия и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего управляющего сигнала.

Триггеры могут быть построены как на дискретных элементах, так и на интегральных микросхемах.

Схема триггера на биполярных транзисторах n-p-n типа приведена на рис.1. Триггер представляет собой два усилителя на транзисторах VT1 и VT2. Выход каждого усилителя соединен с входом другого. Обратная связь, получаемая в результате такого соединения усилителей, является положительной. Оба транзистора в триггере работают в ключевом режиме, поэтому триггер можно рассматривать и как схему, в которой последовательно включены два транзисторных ключа, причем выходное напряжение первого непосредственно управляет вторым, а выходное напряжение второго ключа – первым.

Обычно используют симметричную схему, т.е. , , . В принципе, в приведенной схеме возможно состояние электрического равновесия, при котором оба транзистора VT1 и VT2 открыты и находятся в активной области. В этом случае токи и и падения напряжений на элементах схемы равны между собой. Однако такое состояние является неустойчивым и любые флуктуации тока или напряжения (или разброс параметров элементов схемы) приведут к лавинообразному процессу нарастания тока одного и убывания тока другого транзисторов. Например, увеличение коллекторного тока транзистора VT1 приведет к уменьшению его коллекторного напряжения . Это, в свою очередь, приведет к уменьшению напряжения и тока транзистора VT2. Последнее вызовет уменьшение тока и увеличение напряжений , . Следовательно, произойдет дальнейшее увеличение тока . Процесс носит лавинообразный (регенеративный) характер и продолжается до тех пор, пока не прекратится действие положительной обратной связи. Это возможно при запирании одного транзистора (например, VT2) или насыщении другого (VT1). В обоих случаях триггер будет находиться в состоянии устойчивого равновесия. Таким образом, после включения напряжения питания один транзистор триггера обязательно окажется закрытым, а другой открытым.