Внутренняя схема операционного усилителя 741 серии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОБУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра электротехники и информационных систем

Реферат по теме:

«Генераторы прямоугольных сигналов на операционных усилителях»

Выполнил:

Черечукин А.В.

Проверил:

Шагаев О.Ф

Москва

Генераторы прямоугольных сигналов на операционных усилителях

Операционный усилитель (ОУ)— усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Операционные усилители (ОУ) являются основной частью всей современной электронной измерительной аппаратуры. Исторически ОУ получили свое развитие в области аналогового вычисления, где эти схемы разрабатывались для суммирования, вычитания, умножения, интегрирования, дифференцирования и т.д., с целью решения дифференциальных уравнений во многих технических задачах. Сегодня аналоговые вычислительные устройства в основном заменены цифровыми, однако высокие функциональные возможности ОУ по-прежнему находят себе применение и поэтому их используют во многих электронных схемах и приборах.

ОУ 741 в корпусе TO-5

Обозначение операционного усилителя на схемах

 

Внутренняя схема операционного усилителя 741 серии

1. Дифференциальный усилитель - предназначен для усиления сигнала, имеет низкий уровень собственных шумов, высокое входное сопротивление и обычно дифференциальный выход.
2. Усилитель напряжения - обеспечивает высокое усиление сигнала по напряжению, имеет спадающую амплитудно-частотную характеристику с одним полюсом, и обычно имеет один выход.
3. Выходной усилитель - обеспечивает высокую нагрузочную способность, низкое выходное сопротивление, ограничение тока и защиту при коротком замыкании.

 

 

Генератор сигналов — это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический и т.д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра)

Применение. Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор. Кроме генераторов испытательных сигналов, выполняемых в виде отдельных изделий, источник регулярных колебаний необходим в любом периодически действующем измерительном приборе, в устройствах, инициирующих измерения или технологические процессы, и вообще в любом приборе, работа которого связана с периодическими состояниями или периодическими колебаниями. Так, например, генераторы колебаний специальной формы используются в цифровых измерительных приборах, осциллографах, радиоприемниках, телевизорах, часах, ЭВМ и множестве других устройств.

 

Схемотехнически электронный генератор представляет собой усилитель, охваченный положительной обратной связью. В качестве усилителя могут быть использованы схемы на дискретных транзисторах, цифровые ИМС, интегральные таймеры, а также операционные усилители. Использование ОУ позволяет построить стабильные многофункциональные генераторы с хорошим воспроизведением формы выходного сигнала, минимальные по габаритам.

NS047 - Генератор прямоугольных импульсов 250 Гц - 16 кГц

 

 

Генераторы импульсных сигналов, или генераторы импульсов, предназначены для получения от источника питания постоянного напряжения электрических колебаний резко несинусоидальной формы, называемых релаксационными. Для таких колебаний характерно наличие участков сравнительно медленного изменения напряжения и участков, на которых напряжение изменяется скачкообразно.

Для импульсных генераторов характерно наличие внешней и внутренней положительной обратной связи (ОС), обуславливающей возможность их самовозбуждения и скоротечный (лавинообразный, регенеративный) процесс перехода активных элементов генератора из одного крайнего (закрытого, открытого) в другое (открытое, закрытое) состояние.

Импульсные генераторы делятся на генераторы прямоугольных, трапецеидальных, пилообразных сигналов (импульсов)

 

Остановимся на прямоугольных ИП, которые могут работать в трех основных режимах: автоколебательном, ждущем и в режиме синхронизации.

 

 

Генераторы, предназначенные для получения колебаний прямоугольной формы, называют мультивибраторами. В отличие от генераторов гармонических колебаний в мультивибраторе используется цепь обратной связи первого порядка, а активный элемент работает в нелинейном режиме.

Мультивибраторы работают в режиме автоколебаний или в ждущем режиме. Соответственно, различают автоколебательные и моностабильные (ждущие) мультивибраторы.

Схема автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе показана на рис. 6.4.1. Активным элементом является инвертирующий триггер Шмитта, реализованный на ОУ и резисторах R₁, R₂. Резистор R₃ и конденсатор C формируют времязадающую цепь, определяющую длительность формируемых импульсов.

Операционный усилитель охвачен положительной обратной связью (цепь R₁- R₂) и находится в режиме насыщения, поэтому напряжение на выходе и_вых = ±и_нас. Переключение ОУ из положительного насыщения в отрицательное и обратно происходит, когда напряжение на инвертирующем входе достигает положительного и отрицательного порогов срабатывания, равных +PU_нас и -0U_нас соответственно. Здесь Р - коэффициент обратной связи: р = R₁/(R₁ + R₂).

 

Передаточная характеристика триггера Шмитта показана на рис. 6.4.2.

Рассмотрим работу мультивибратора, предположив, что в момент t = 0 напряжение на выходе схемы и_вых = +и_нас, а напряжение конденсатора U _C (0) < ри_нас. Напряжение u_C (t) изменяется по закону

 

Постоянная времени т = R₃C. В момент t_l напряжение u_C (t) достигает величины PU _нас, ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения. Выходное напряжение скачком принимает значение, равное - и_нас. Начинается перезарядка конденсатора. Напряжение u_C (t) изменяется по

закону

 

В момент t₂ напряжение u_C (t) становится равным -ри_нас и ОУ

переключается в состояние положительного насыщения. Далее процесс периодически повторяется. Временные диаграммы напряжений u_C (t) и

u _ВЫХ(t) показаны на рис. 6.4.3.

 

 

 

На выходе мультивибратора наблюдаются прямоугольные импульсы амплитудой ± U _нас. Период повторения импульсов T = 2 R₃C ln[l + (2 R1/R₂)]. При R₁ = R₂ период колебаний T «2.2R₃C.

Пример 6.4.1. Рассчитать частоту повторения импульсов на выходе мультивибратора (рис. 14.9), если R₁ = R₂ = 10 кОм, R₃ = 4.54 кОм, С = 10 нФ.

Решение. Поскольку R₁ = R₂, частота повторения импульсов

 

Мультивибратор на рис. 6.4.1 является симметричным, поскольку положительные и отрицательные импульсы равны. Положительные и отрицательные импульсы различной длительности можно получить в несимметричном мультивибраторе, показанном на рис. 6.4.4. Перезарядка конденсатора во время формирования положительных и отрицательных импульсов осуществляется через различные резисторы. Когда напряжение на выходе ОУ положительно, открыт диод VD1 и перезарядка происходит с постоянной времени т₁ = R₃C. Когда напряжение на выходе ОУ

отрицательно, открыт диод VD2 и постоянная времени т₂ = R₄C. Можно менять длительность положительных и отрицательных импульсов, варьируя сопротивления резисторов R₃ и R₄.

 

Ждущие мультивибраторы. Назначение таких устройств - получение одиночных импульсов заданной длительности. Схема ждущего мультивибратора показана на рис. 6.4.5. Импульс на выходе возникает при
подаче на вход специального запускающего сигнала. Поскольку на входе включена дифференцирующая цепь, форма и длительность такого сигнала могут быть произвольными.

Устойчивое состояние ждущего мультивибратора достигается включением диода VD параллельно конденсатору C_l. Когда выходное напряжение и_вых = -и_нас, диод открыт и напряжение конденсатора и_с ≈ 0.7 В.

Дифференциальное напряжение на входе ОУ отрицательно, и схема находится в устойчивом состоянии. Этому режиму соответствует интервал 0 - t_l на рис. 6.4.6. При подаче на вход импульса положительной полярности в момент tj дифференциальное напряжение на входе ОУ становится положительным и ОУ переключается в состояние положительного насыщения: U_вых (t_x)=+U_нас. Диод закрывается, и конденсатор C_x начинает заряжаться. Когда напряжение на инвертирующем входе ОУ достигает величины ри_нас (момент t₂), дифференциальное напряжение становится отрицательным и ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения: U_вых (t₂)=-U_нас. Напряжение и_С (t) начинает уменьшаться. Когда и_С (t) достигает значения - 0.7 B, диод открывается и схема вновь оказывается в устойчивом состоянии.

 

Длительность импульса, формирующегося на выходе ждущего мультивибратора, определяется выражением

 

 

Время восстановления устойчивого состояния схемы называется временем релаксации и определяется формулой

 

 

При сборке схем мультивибраторов использовать модели операционных усилителей LM324 или uA741 из библиотеки EVAL.slb.

Усилитель LM324

Усилитель uA741

 

Список используемой литературы.

http://beez-develop.ru/index.php/faq/useful-shems/73--square-generator

http://gendocs.ru/v12155

http://ru.wikipedia.org/wiki

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: