Структурные особенности схемы мультивибратора

Схема мультивибратора имеет следующие структурные особенности.

1. Выходное напряжение приложено к участку, содержащему резисторы /?, и R₂. Напряжение на резисторе R₂ определяет потенциал неинвертирующего входа ОУ, точки «а» на рис. 16.1, а по отношению к общей точке О:

где, а = #₂/(Я, + R₂) ^— коэффициент положительной обратной связи.

Таким образом, величина q>_a пропорциональна и_вых и изменяется с ним синхронно.

2. Потенциал на инвертирующем входе «б» (см. рис. 16.1, а) равен напряжению на конденсаторе С, т. е.

и синхронно с ним изменяется.

• 3. Функции цени ПОС в рассматриваемой схеме выполняет делитель напряжения (R_v R₂)_y так как напряжение с его выхода подается на неинвертирующий вход ОУ.
• 4. Функции ООС выполняет RC-цеиъ, напряжение с ее выхода (и_с) подается на инвертирующий вход ОУ.

Принцип работы

Каждый полупериод работы схемы содержит две стадии:

• 1) короткая (почти мгновенная), определяющая длительность фронтов;
• 2) длинная, от которой зависят длительность импульсов, а следовательно, и частота автоколебаний.

Рассмотрим каждую из этих стадий. Допустим, что в момент времени t = О произошло подключение схемы ОУ к источнику питания. Конденсатор предполагаем незаряженным, т. е. и_с(0) = 0.

1- я стадия. При подключении схемы к источнику питания неизбежно появление на входе усилителя хотя бы незначительной разности потенциалов ф_а — (р_б, порядка долей микровольта, положительного либо отрицательного знака. Для определенности положим.

Благодаря высокому дифференциальному коэффициенту усиления ж ~ 10⁶ и положительной ОС, обеспечиваемой резистором R₂ в совокупности с /?, напряжение на выходе почти мгновенно установится равным +м_выхтах. Это состояние есть результат лавинообразного процесса, очень быстро протекающего. Действительно, тысячные доли микровольта (напряжение порядка 10 ⁹ В) при? е ~ 10⁽⁾ на выходе превращаются в милливольты. Существенная часть этого напряжения ош_вых возвращается на дифференциальный вход. Милливольты на дифференциальном входе, будучи усиленными, выводят состояние ОУ за пределы линейного участка его характеристики, где.

Когда и_вых становится постоянным, прекращает расти и потенциал неинвертирующего входа:

Нужно принять во внимание, что потенциал инвертирующего входа <�р_б (16.2), поддерживаемый конденсатором, в течение первой стадии практически не успевает измениться:

Уравнениями (16.4)—(16.6) определяется состояние схемы (см. рис. 16.1, а) в момент окончания 1-й стадии, которая практически почти не заняла временного интервала. Будем считать, что ее начало соответствует моменту времени t = 0_, а окончание — t = 0₊.

2- я стадия. Начиная с момента времени t = 0₊ справедлива эквивалентная схема (рис. 16.2). В ней учтено, что входные токи ОУ пренебрежимо малы, поэтому оба входа ОУ (точки «а» и «б») оборваны. Два идеальных источника ЭДС обеспечивают неизменные по величине и постоянные во времени напряжения на выходе и на иеиивертирующем входе:

Согласно построенной эквивалентной схеме в контуре, содержащем конденсатор С, резистор R и выходные зажимы ОУ, созданы условия для зарядки конденсатора (по условию разряженного) до принужденного зна;

Рис. 16.2. Эквивалентная расчетная схема на интервале времени 0—1_{

чения +U_m. Следовательно, при t > 0₊ возникает переходный процесс первого порядка с постоянной времени т = RC. Напряжение на конденсаторе u_c(t) изменяется по экспоненте, стремясь к +U_m (рис. 16.3, а). По тому же закону изменяется во времени и потенциал инвертирующего входа ф_б(?) ⁼ = u_c(t). Напомним, что потенциал точки «а» в рассматриваемой стадии остается неизменным и равным aU_m. Процесс зарядки конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет величины, близкой к aU_m, т. е. пока потенциал точки «а» не сравняется с потенциалом точки «б». В этот момент времени (обозначим его t_x) заканчиваются 2-я стадия и первый полупериод.

3-я стадия (второй полупериод). При t~t_x напряжение на дифференциальном входе становится настолько малым, что режим О У сначала перемещается на линейный участок передаточной характеристики, а затем, когда потенциал точки «б» начинает превышать потенциал точки «а», Дг/_вх становится отрицательным, т. е. меняет знак. Почти мгновенно напряжение на выходе сначала изменит знак, а затем, благодаря наличию ПОС и возникшему лавинообразному процессу, и_хшх достигает наибольшего отрицательного значения -U_m. На этом завершается третья стадия, почти не занимающая временного интервала.

Состояние схемы к моменту ее окончания таково:

Рис. 16.3. Временные диаграммы для мультивибратора на ОУ:

а — напряжение на конденсаторе; б — напряжение на выходе мультивибратора Напряжение на дифференциальном входе ОУ <�р_а — <�р₆ = Ди_вх = -2aU_m существенно превышает пороговое значение, поэтому режим ОУ находится далеко за пределами линейного участка его передаточной характеристики (на отрицательной ветви).

4-я стадия (второй полупериод). Она подобна 2-й стадии, будучи противоположной ей по знаку, с той разницей, что конденсатор С перезаряжается от значения м_с(?,) = +аU_m до u_c(t₂) = -аU_m (см. рис. 16.3, а). Начиная с момента / устанавливается периодический процесс перезарядки конденсатора (от ⁺o.U_m доaU_m и обратно). Напряжение на выходе схемы в этом случае имеет форму двухполярных импульсов, весьма близкую к прямоугольной, величиной ±U_m (рис. 16.3, б). Временной интервал (?,-?,) равен половине его периода Т. Как показывает расчет, величина Т связана с параметрами элементов цепи следующим выражением:

Пример 16.1. Определить частоту следования импульсов на выходе мультивибратора, иредставленого на рис. 16.1, а, при следующих параметрах элементов: /? = /?,= R₂ = 1 кОм; С = 0,1 мкФ.

Решение

1. Вычисляем коэффициент обратной связи.

2. По формуле (16.7) находим период колебаний.

Поскольку ln (1,5/0,5) ~ 1, получаем.

3. Искомая частота следования импульсов: