Расчёт и проектирование мультивибраторов на основе ОУ

Для инвертирующего включения

, (2.20)

- для неинвертирующего включения

. (2.21)

Далее следует произвести проверку условий (1.49) для инвертирующей схемы и (1.50) для инвертирующей и неинвертирующей схем. Расчёт конденсатора в инвертирующей схеме производится по заданным значениям коэффициента частотных искажений в области низких частот и соответствующей . Из выражения (2.8) получим

(2.22)

(2.23)

Расчёт конденсаторов и в неинвертирующей схеме производится по заданным и , при условии, что ; из выражения (2.16) получим

(2.24)

(2.25)

(2.26)

Рекомендуется выбирать конденсаторы из широко применяемых типов с керамическим диэлектриком КМ3… КМ6, КМ10.

После расчета и выбора элементов необходимо определить основные показатели усилителя , , , , , и построить ЛАЧХ.

Мультивибратор преобразует постоянное напряжение источника питания в периодическую последовательность импульсов прямоугольной формы с заданными параметрами (амплитудой, длительностью, частотой следования и скважностью).

Мультивибратор в большинстве случаев выполняет функцию задающего генератора, формирующего запускающие входные импульсы для последующих узлов в системах импульсного действия.

3.1. Анализ схемы мультивибратора на основе ОУ

Мультивибратор (рис. 3.1) состоит из хронирующей цепи (резистора и конденсатора ), которая определяет временные параметры периодической последовательности прямоугольных импульсов и триггера Шмидта, представляющего собой операционный усилитель, охваченный положительной обратной связью через резисторы и .

Триггер Шмидта может находиться в двух устойчивых состояниях, напряжения на выходе принимают значения и . На неинвертирующем входе формируется напряжение обратной связи , которое может принимать также два значения: - называют напряжением срабатывания , а - напряжением отпускания

(3.1)

(3.2)

Рис. 3.1. Схема симметричного мультивибратора

При включении питания ОУ напряжение на выходе принимает одно из значений или , под действием которого через резистор конденсатор заряжается. Процесс заряда описывается уравнением

(3.3)

решение которого имеет вид

(3.4)

где - напряжение на конденсаторе при ;

- напряжение на конденсаторе при ;

- постоянная времени цепи заряда.

Рис.3.2. Временная диаграмма работы мультивибратора

В соответствии с временной диаграммой работы мультивибратора (рис. 3.2) на интервале происходит заряд конденсатора, справа от точки 1 напряжение , т.е. , и напряжение на инвертирующем входе , следовательно, напряжение на выходе принимает значение . Причём переключение ОУ за счёт ПОС происходит с большой скоростью. На интервале напряжение на конденсаторе изменяется под действием отрицательного напряжения , приложенного к цепи. Этот процесс продолжается до точки 2, в которой и напряжение на инвертирующем входе , следовательно, напряжение на выходе примет значения . Далее процессы заряда и разряда конденсатора продолжаются аналогичным образом. В результате на выходе мультивибратора формируются импульсы прямоугольной формы длительностью , с паузой и периодом следования . Для определения воспользуемся уравнением (3.4), в котором, как видно из временной диаграммы (рис.3.2),

Разрешая это уравнение относительно , получим

(3.5)

Для определения , поступая аналогично, получим

(3.6)

Если и ,

(3.7)

Мультивибратор, у которого , а скважность , называют симметричным.

Рис.3.3. Варианты цепей заряда хронирующего конденсатора несимметричного мультивибратора:

а - , b - , с – универсальный

Для получения скважности заряд конденсатора производят по цепям, варианты которых показаны на рис.3.3 а, b, c.

Поскольку сопротивление в цепи заряда конденсатора зависит от направления тока, то для цепи а

(3.8)

для цепи b

(3.9)

для цепи c

(3.10)

Временная нестабильность генератора определяется, в основном, постоянством параметров хронирующей цепи

(3.11)

где относительное изменение сопротивления резистора, которое зависит от температуры

(3.12)

относительное изменение ёмкости конденсатора

(3.13)

При расчете схемы следует соблюдать условия ограничения по предельным режимам работы операционного усилителя. Так дифференциальное и синфазное напряжения не должны превосходить допустимые значения

Дифференциальное напряжение принимает наибольшее значение справа от точки 1, т.е. после переключения ОУ

Если учесть, что ОУ не нагружён, то

Отсюда следует, что при выборе резисторов и следует соблюдать

неравенство

(3.14)

Синфазное напряжение принимает наибольшее значение слева от точки 1, т.е. до переключения ОУ

(3.15)

Выбор значений сопротивлений , , в схеме производят с учетом максимально допустимого тока операционного усилителя

Выходной ток ОУ образуется из трёх составляющих: тока нагрузки , тока обратной связи и тока заряда ёмкости , который максимален в момент переключения ОУ

Если учесть, что , то

(3.16)

В случае несимметричного мультивибратора это условие должно выполняться для наименьшего сопротивления зарядной цепи.

3.2. Методика расчета мультивибратора

Исходные данные для расчета: тип ОУ, рабочий диапазон температур , длительность импульса и длительность паузы .

Следует рассчитать значения пассивных элементов схемы и выбрать их по выпускаемой промышленной номенклатуре, также проверить режим работы ОУ и убедиться в работоспособности схемы.

Последовательность расчета:

1. Выбирают резистор порядка 10 кОм, чтобы не нагружать ОУ.
2. Рассчитывают значение по неравенствам (3.14) и (3.15) и выбирают
3. Определяют и из уравнений (3.5) и (3.6). В зависимости от соотношений и выбирают вариант цепи заряда а, b или c.
4. Выбирают значение резистора , близкое к максимальному значению для данного типа резисторов. Рекомендуется выбирать термостабильные резисторы С2-13 или С2-29 порядка 1 МОм.
5. Ёмкость конденсатора рассчитывают по наибольшей длительности или . Для выбора рекомендуются конденсаторы керамические монолитные КМ3…К10-52.
6. Определяют температурную нестабильность .
7. Проверяют работоспособность по выражению (3.16).
8. наименьшее по таблице номинальных значений.

Дата добавления: 2014-12-27