Лабораторная работа № 10

«Исследование устройства на операционных усилителя»

Цель работы: изучение работы компаратора, тригера Шмитта и

мультивибратора и снятие их характеристик.

Операционным усилителем (ОУ) называется усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами ( сложение, вычитание, интегрирование и тд.). В настоящее время ОУ играет роль многоцелевых элементов при построении аппаратуры различного назначения.

О У имеет два входа и один выход (рис.10.1). Один из входов называется неинвертирующим (V_{вх н} «+», «+»_,), а другой- инвентирующим (V_{вх. н,} «-« ).

Основу ОУ составляет дифференциальный каскад,

Рис. 10.1. применяемый в качестве входного

каскада усилителя. ОУ характеризуется усиленными входными, выходными, энергетическими, дрейфовыми частотными и скоростными параметрами.

В данной работе рассматриваются устройства , выполненные на операционных усилителях- компараторы, триггер Шмитта и мультивибраторы.

В компараторах ОУ используют устройство, осуществляющее сравнение входного напряженияV_вх с опорным напряжением V_оп. Существуют компараторы для сравнения разнополярных напряжений и напряжений одинаковой полярности.

- 46 -

На рис.10.2а, приведена схема однопорогового компаратора для сравнения сигналов одинаковой полярности. НапряжениеV_вых на входе в ОУ зависит от разности входных напряжений. При напряжении V_вх меньше чем опорное V_оп , напряжение  V_оп определяет состояние выхода. Разность напряжений V_вх-V_оп является входным дифференциальным напряжением V_д ОУ, что и определяет состояние передаточной характеристики компаратора

( рис 10. 2.б) Изменение полярности выходного напряжения происходит тогда, когда напряжение V_вх> V_оп

Ввиду большого значения коэффициента усиления ОУ при Vд= Vвх- Vоп=О имеет место режим ограничения выходного напряжения:

Vвых = V⁺вых мах при Vвх< Vоп,

Vвых =V^-вых мах приVвх > Vоп, (10.1)

г де напряжение V⁺вых мах и V^-вых мах имеют значения, близкие к значению напряжения Vн источника питания ОУ.

а) б)

Рис 10. 2.

Широкое применение в электронной технике получил триггер Шмитта, используемый в качестве формирователя напряжения прямоугольной формы из напряжения произвольной формой кривой. Преимущество триггера Шмитта как компаратора состоит в том , что шумы входного сигнала и не стабильность питания не вызывает колебаний выходного напряжения вблизи точки сравнения, как в одно-

- 47 -

пороговых компараторах.

В отличии от компаратора рис 10.2а в триггере Шмитта ОУ охвачен положительной обратной связью (ПОС) по неинвертирующему входу с помощью резисторов R1.R2 (рис 10.3.а)

Переключение из состояния V⁺ вых мах в состояние V^-вых мах происходит при напряжении Vвх, равном напряжению срабатывания Vср (рис.10.3.б). Возвращение в исходное состояние Vвых = V⁺вых мах происходит при снижении Vвх до напряжения отпускания Vотп.

Значения пороговых напряжений Vср и Vост находят из выражений:

V_ср=V_оп+ (10.2)

V_ср=V_оп - (10.3)

Откуда ширина зоны нечувствительности равна:

V_ЗН = V_ср – V_отп = (10.4)

а) б)

Рис 10.3.

Мультивибраторы предназначены для генерирования периодической последовательности импульсов напряжения прямоугольной формы. Для получения импульсов прямоугольной формы с крутыми фронтами широко используют ОУ, имеющие положительную обратную связь.

- 48 -

Схема симметричного мультивибратора на ОУ приведена на рис.10.4.а. Автоколебательный режим работы создают благодаря подключению к инвентирующему входу ОУ время задающей цепи из конденсатора С и резистора R. ПОС выполняет на резисторах R1.R2.

Период Т каждого цикла переключений зависит от соотношения значений элементов R и С и отношений сопротивлений резисторов R1и и R2

Мультивибратор работает следующим образом. В начальный момент времени при подаче напряжений питания +Vп и –Vп на резисторе Rz появляется напряжение Vz (рис10 4.б. вследствии имеющегося на выходе положительного или отрицательного напряжения сдвига - Vвых сдв.

Так как инвертирующий вход первоначально имеет нулевой потенциал (конденсатор С разряжен), то напряжение Vz оказывается приложенным между инвертирующим и неинвертирующим входами, переводя ОУ в режим насыщения. Если Vz положительно, то на выходе получают значение V⁺вых мах и переход к V⁺вых мах происходит со скоростью нарастания dv /dt в ОУ.

Когда ОУ насыщен, конденсатор С заряжается по цепи V вых-R-C. При значении Vc, превышающимVz (в момент времени на рис10.4б) напряжение на выходе ОУ скачком изменяется к отрицательному пределу V^-вых мах. Конденсатор С под действием напряжения выхода V^-вых мах перезаряжается до напряжения более отрицательного, чем-Vz.

Напряжение на инвертирующем входе также становится более отрицательным, чем на неинвентирующем, а напряжение на выходе (в момент времени t2) возвращается к состоянию Vвых мах.

Время, в течении которого амплитуда выходного сигнала остается постоянной, зависит от параметров элементов схемы. Длительность пребывания устройства в одном из устойчивых состояний определяют по формулам:

- 49 -

(10.5)

(10.6)

где tn1 и tn2 – время пребывания мультивибратора при положительном и отрицательном уровнях напряжений V⁺вых мах и V^-вых мах- коэффициент ПОС.

β= R1/ R1 + R2 -коэффициент ПОС.

Если напряжение питания +Vn и –Vn одинаковы, что имеет место практически во всех ОУ, то времена Тн1 и Тн2 равны между собой, а период Т генерируемых сигналов вычисляют из соотношения:

T= t_n1 + t_n2=2RC*Ln(1+2*R₁/R₂) (10.7)

а) б)

Рис. 10.4.

- 50 -