Контрольные вопросы

1. Поясните назначение элементов схемы рис. 1.7.

2. Какими элементами схемы рис. 1.7 определяется длительность фронтов выходных импульсов?

3. Объясните роль диодов в формировании параметров выходных импульсов схемы рис. 1.7.

4. Чем определяется максимальная частота следования импульсов в схеме рис. 1.7?

5. Поясните физические основы работы схемы рис. 1.8.

6. Какую функцию выполняет транзистор VT2 в схеме рис. 1.8?

7. Чем определяются длительности фронтов импульса на коллекторе VT1 в схеме рис. 1.8?

8. Какую роль выполняют источники Е_э, Е_к2 в схеме рис. 1.8?

9. Поясните назначение элементов схемы рис. 1.10.

10. Поясните физические основы работы схемы рис. 1.10.

11. Запишите условия, обеспечивающие устойчивое состояние равновесия в схеме рис. 1.10.

12. Какими элементами схемы рис. 1.10 определяются выходные параметры импульсов на коллекторах транзисторов VT1, VT2?

13. Сопоставьте достоинства и недостатки схем рис. 1.8 и 1.5.

1.2.4. Мультивибраторные схемы на операционном усилителе [6]

Широкой областью применения ОУ, как многофункционального аналогового устройства, являются импульсные преобразователи и импульсные генераторы с различной формой выходного напряжения (импульсы прямоугольной, треугольной, пилообразной форм и пр.). В качестве примеров рассмотрим две популярные схемы генераторов импульсов прямоугольной формы.

1.2.4.1. Мультивибратор с несимметричными обратными связями

Схема мультивибратора и диаграммы напряжений, поясняющие его работу, приведены соответственно на рис. 1.11, 1.12. Рассмотрим интервал времени 0 – t₁. Предположим, что в момент t = 0 выходное напряжение скачком приобретает максимальное значение U_М(+), определяемое амплитудной характеристикой ОУ. Усилитель при этом окажется в неактивном режиме. По каналам

Рис. 1.11 Рис. 1.12

отрицательной обратной связи (цепь R₁, C₁) и положительной (цепь R₂, R₃) выходной сигнал передается на инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ. Так как канал положительной обратной связи является безынерционным, а по каналу отрицательной обратной связи сигнал передается с задержкой, то в момент скачка преобладающую роль играет положительная обратная связь, которая и определяет уровень и знак выходного напряжения. Часть этого напряжения, равная bU_M(+), действует на неинвертирующем входе ОУ._. Здесь

. (1.28)

На инвертирующем входе напряжение в интервале 0 – t₁ не остается постоянным, а меняется от начального уровня bU_М(–) (как результата предыдущего этапа работы), стремясь к максимальному уровню U_М(+), до которого может зарядиться конденсатор С₁. В момент t₁ разность напряжений U_A и U_B на входах ОУ сделается достаточно малой, чтобы усилитель, обладающий большим коэффициентом усиления, перешел в активное состояние. Замыкаются цепи обратной связи, возникает лавинообразный процесс опрокидывания, и усилитель принимает новое состояние, в котором выходное напряжение равняется максимальному отрицательному значению U_М(–).

В момент t₂ возникает аналогичная ситуация, т. е. начинается периодический процесс формирования прямоугольного выходного напряжения.

Найдем основные параметры выходных импульсов мультивибратора.

1. Амплитуда импульсов. Этот параметр определяется максимальными значениями положительного и отрицательного уровней выходного напряжения, приведенными в справочной литературе и обозначенными через U_М(+) и U_М(–).

2. Частота повторений импульсов. Запишем закон изменения напряжения в конденсаторе C₁ в интервале времени 0 – t₁:

. (1.29)

В момент t = t₁ реализуется равенство U_С1 = bU_М(+) и заканчивается формирование длительности импульса положительной полярности. Из выражения (1.29) получим:

, (1.30)

где = R₁C₁ – постоянная времени времязадающей цепи.

Из точно таких же соображений рассчитывается длительность отрицательного перепада на выходе схемы:

. (1.31)

Период импульсных колебаний представляет сумму длительностей:

. (1.32)

Частота колебаний легко рассчитывается как величина, обратная периоду, т. е. f = 1/T.

В выражении (1.32) просматривается зависимость периода колебаний от уровней выходного напряжения, что является одной из причин, вызывающих его нестабильность (следовательно, и нестабильность частоты генерируемых колебаний).

Полагая одинаковыми значения U_М(+), U_М(–), получим t_и1 = t_и2, а также значения периода и частоты:

, (1.33)

. (1.34)

3. Длительности фронтов нарастания и спада. Реальный переход мультивибратора на ОУ из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а за конечное время, определяемое скоростью изменения выходного напряжения V в/мкс. Для рассматриваемой задачи, когда выходное напряжение претерпевает близкое к 2U_М изменение, длительности фронта нарастания и фронта спада достаточно близки и могут быть представлены соотношениями:

t_фн = t_ac = 2U_М/V. (1.35)