16. Импульсный режим работы электронных схем. Ключевой режим работы биполярного и полевого транзисторов.

16. Нелинейный режим работы операционного усилителя. Компаратор. Электрические схемы, принципы работы параметры, характеристики Преобразователь синусоидального напряжения в импульсное. Преобразователь синусоидального напряжения в частоту сигнала. Триггер Шмита. Электрическая схема, принцип работы, параметры, характеристики.

Компаратором называют устройство, предназначенное для срав­нения изменяющегося аналогового входного сигнала с опорным на­пряжением. Он имеет два устойчивых состояния равновесия U+вых макс и U-вых max. Переход из одного состояния в другое происходит скачком при равенстве напряжений на двух входах ОУ. Компаратор называют однопороговым элементом сравнения.

На рис. 4.4 показаны входные напряжения компаратора. Компаратор переключается в момент равенства Uвх1=Uвх2 выходное напряжение имеет прямоугольную форму. Ширина этих импульсов при заданной амплитуде синусоиды зависит от величины Uвх2.

Таким образом, простейший компаратор может служить преобразо­вателем синусоидального напряжения в прямоугольное.

Наряду с простейшей схемой компаратора находит широкое при­менение схема компаратора с ПОС, называемая также двухпороговым элементом или триггером Шмитта.

Триггер Шмитта имеет два устойчивых состояния равновесия. Од­нако за счет наличия ПОС схема имеет два порога срабатывания (гистерезисная передаточная характеристика).

Рассмотрим принцип работы данного устройства при значи­тельном отрицательном напряжении на инвертирующем входе ОУ Uвых=Uвых макс. Напряжение на прямом входе вызвано воздействи-ем Uвых и U0.

реключение компаратора, процесс опять будет развиваться регене­ративно, и выходное напряжение практически мгновенно достигнет значения U-вых. шах

Таким образом, передаточная характеристика имеет гистерезисный характер и переключение компаратора при увеличении и уменьшении Uвх происходит при двух разных напряжениях U.1 и U.2 Ширина петли гистерезиса (U.1 - U.2) увеличивается с увеличением отношения R1/R2

Вольт-амперная характеристика триггера Шмитта представляет собой прямоугольную петлю гистерезиса. Простейшая структура триггера Шмитта — это два последовательно подключенных инвертора, охваченные резистивной обратной связью. Скорость нарастания выходного сигнала не зависит от скорости нарастания входного сигнала, для данной технической реализации является величиной постоянной.

16. Мультивибратор на операционном усилителе. Электрическая схема, принцип действия, назначение элементов схемы. Временный диаграммы напряжений.

Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы.  Мультивибратор может быть выполнен на транзисторах, ОУ или на логических элементах. Рассмотрим схему мультивибратора на ОУ (рис.16.3а). Диаграммы напряжений, поясняющие работу схемы, приведены на рис. 16.3б.

В схеме рис. 16.3а ОУ и цепь R3 R4 образуют компаратор с ПОС. При переключениях компаратора на его выходе формируются напряжения Uвыхm (оно открывает диод D1) и -Uвыхm (оно открывает диод D2).

 Конденсатор С и резисторы R1, R2 образуют две интегрирующие цепи. Цепь заряда конденсатора R1C включена, когда открыт диод D1. Цепь разряда конденсатора R2C включена, когда открыт диод D2. Источником напряжения заряда и разряда конденсатора является выход ОУ. Нагрузкой интегрирующих цепей является инвертирующий вход ОУ.

 Включим питание ОУ в момент времени t1. Выходное напряжение ОУ Uвых может отклониться как в положительном, так и в отрицательном направлениях. Пусть Uвых получила положительное приращение DUвых. Через цепь ПОС R3R4 это приращение подается на прямой вход ОУ, усиливается им и, в свою очередь, вызывает приращение DU/вых. Процесс развивается лавинообразно. В результате в момент t1 на выходе ОУ напряжение скачком принимает значение  .

  Положительное напряжение ОУ   открывает диод D1. Начинается заряд конденсатора С через резистор R1. Скорость заряда определяется постоянной времени  . Нарастающее по экспоненте напряжение конденсатора UC подается на инвертирующий вход ОУ.

 На прямой вход ОУ через цепь ПОС R3R4 подается напряжение UOC

.

В момент времени t2 напряжение на конденсаторе UC достигает значения U0С. Происходит переключение компаратора. ОУ скачком переходит в область отрицательного насыщения, когда  .

 Одновременно (в момент времени t2) скачком изменяется напряжение обратной связи до величины

,

диод D1 закрывается, а диод D2 открывается. Начинается перезаряд конденсатора С через резистор R2 до напряжения  . Скорость перезаряда определяется постоянной времени  . Когда напряжение на конденсаторе UC достигает значения – UOC (момент времени t3) происходит регенеративное переключение компаратора. Далее процессы периодически повторяются.

 В установившемся режиме (от момента t2 и далее) напряжение конденсатора изменяется от UОС до - UОС и обратно. На диаграмме рис. 16.3б интервал времени t2 – t3 определяет длительность паузы, а интервал t3 – t4 – длительность импульса, причем

  (16.5)

 (16.6)

Период повторения

 (16.7)

Скважность

  (16.8)

Выражения (16.5) – (16.8) позволяют выполнить расчет параметров мультивибратора. Кроме того, они позволяют определить способы регулировки частоты и скважности. Так, при регулировке частоты скважность не должна изменяться. Следовательно, R1, R2 целесообразно оставлять неизменными. Удобно частоту регулировать изменением R3 или R4.

При регулировке скважности частота должна оставаться неизменной. Это значит, что R3 и R4, а также (R1 + R2) должны быть постоянными величинами. Отсюда следует, что для регулировки скважности R1 и R2 следует выполнять как составляющие одного потенциометра. Крайние точки такого потенциометра подключаются к диодам D1 и D2, а средняя – к инвертирующему входу ОУ.