А – мост Вина; б – АЧХ; в – функциональная схема

На частоте  f₀, где ООС менее глубокая, K_ОС  имеет максимальное значение, а на других частотах резко уменьшается в результате воздействия двух факторов: увеличения коэффициента обратной связи β цепи ООС и уменьшения выходного напряжения, воздействующего на цепь частотно-независимой положительной ОС через резистор R ₃.

Ширина полосы пропускания усилителя Δf определяется на уровне 1/√2  =  0,707 от максимального значения АЧХ и равна:

                                   Δf = f_В – f_Н.                                         (2.15)

Отношение квазирезонансной частоты   f₀  к ширине полосы пропускания Δf  называется эквивалентной добротностью Q:

                                Q = f₀ / Δf.                                            (2.16)

Добротность Q  в рассматриваемой схеме обычно имеет величину порядка нескольких единиц, т. е. повышается в единицы – десятки раз по сравнению с эквивалентной добротностью последовательно-параллельной цепи (или моста Вина), равной 1/3. При повышении коэффициента усиления усилителя добротность Q увеличивается, при этом,  однако, уменьшается стабильность частотной  характеристики.

2.3. Генераторы прямоугольных импульсов

    2.3.1. Автоколебательные мультивибраторы  на логических элементах

 Мультивибраторы предназначены для генерирования периодической последовательности импульсов напряжения прямоугольной      формы с требуемыми параметрами (амплитудой, длительностью, частотой следования и др.). Мультивибратор в подавляющем большинстве случаев выполняет функцию задающего (ведущего) генератора, формирующего запускающие входные импульсы для последующих узлов и блоков в системах импульсного и цифрового действия [5].                       В цифровых логических схемах генераторы прямоугольных импульсов обычно выполняются на логических элементах–инверторах                       (рис. 2.6). Если попарно симметричные элементы одинаковы, то мультивибратор является симметричным, при этом длительность импульса равна паузе.

                              а)                                                        б)

Рис. 2.6. Мультивибраторы на логических элементах:

А – схема; б – временные диаграммы

Схема имеет два неустойчивых состояния равновесия: в одном из которых D ₁ закрыт, а D ₂ – открыт. В другом состоянии, наоборот, D ₂ закрыт, а D ₁ – открыт. Длительность состояний квазиравновесия зависит от величин элементов R и C.

Рассмотрение работы схемы начнем с момента времени t ₀, когда произошло переключение U _вых.1 в «1» и U _вых.2 в «0».   При этом                   произошел скачек напряжения U вых.₁ и U вх.₂ на U,    причем                        

                                                   (2.17)

Это следует из эквивалентной схемы рис.2.7.

Рис. 2.7. Эквивалентная схема формирования скачка

напряжения   Δ U

Сразу после скачка начинается заряд емкости С ₁ по цепи:            «U _ВЫХ.1 – С ₁ – R ₂ – земля» с постоянной времени   За счет падения напряжения на R ₂ элемент D ₂ находится в открытом состоянии. По мере заряда емкости С ₁ ток заряда уменьшается, напряжение U вх2  уменьшается и, как только оно достигнет порогового уровня (U вх2 = U пор₂), произойдет переключение: D ₂ закроется, а D ₁ откроется. Этот процесс происходит быстро (лавинообразно). Сразу же после переключения начинается заряд емкости  С₂ (через большое сопротивление R ₁) по цепи: U _вых.2 – С ₂ – R ₁ – земля с постоянной времени   и разряд емкости С ₁ (через малое сопротивление открытого диода   Д₁ - r _д) по цепи: + С ₁ – U вых.1  – земля – Д ₁ – С ₂  с малой постоянной времени:    При этом . 

После быстрого процесса регенерации (переключения) начинается время устойчивого равновесия, которое определяется временем заряда емкости  (С ₁ или С ₂) до напряжения, при котором U _вх  уменьшается до уровня U _пор. Обычно С ₁ = С ₂ = С, R ₁ = R ₂ = R, тогда .        Период генерируемых импульсов без учета времени регенерации определяется временем заряда емкости, например, С ₁ пока напряжение на входе D2 изменяется от   до :

                                                                   (2.18)    

где , .

    Расчет элементов R и С. Для нормального функционирования схемы сопротивление R выбирается из следующих условий: 

    1) U _вх.min  + U   > U _пор,    

    2)   U _вх.min  < U _пор.

При использовании ЛЭ ТТЛ, имеющих параметры: U ¹_вых. > 2,4 В, U _пор = 1,5 В, I ⁰_вх = 1,6мА, U _вх.min < 0,5 В, находим, что указанные выше условия выполняются при   R = (1,5…2) R ¹_вых. Из соотношения U _вх.min < R * I ⁰_вх., находим R = 300 Ом. Практически выбирают                              R = 100…300 Ом. После выбора R находят С, исходя из необходимой длительности импульсов и используя соотношение (2.18).

    2.3.2. Ждущие мультивибраторы на элементах ТТЛ

 Ждущие мультивибраторы имеют два состояния равновесия, одно из которых устойчивое, а второе квазиустойчивое, т. е. временно устойчивое. Они применяются в основном для получения определенного временного интервала, начало и конец которого фиксируются фронтом и спадом генерируемого прямоугольного импульса. Схема ждущего мультивибратора на элементах ТТЛ  приведена на рис. 2.8, а. В работу схема запускается путем подачи специального запускающего импульса на вход D ₁. Временные диаграммы работы схемы приведены на рис. 2.8, б.

    Устойчивое состояние.  Все переходные процессы в схеме закончены, следовательно U _вх.2 = U ⁰, U _вых.2 = U ¹, U _вых.1 = U ⁰.  В этом состоянии схема может находиться сколь угодно долго, до прихода запускающего импульса.

Запуск. Запускающий импульс запирает D ₁, U _{вых. 1} становится равным U ¹. Положительный перепад напряжения передается на вход D ₂, U _вых.2 становится равным U ⁰. Это напряжение поддерживает в закрытом состоянии D ₁ после окончания запускающего импульса. Этот процесс происходит быстро (лавинообразно).

Квазиустойчивое состояние. Сразу после скачка начинается заряд емкости С по цепи: «Е + – r ¹_вых – С – R – земля» с постоянной времени

                                                                      (2.19) 

При этом U _вых.1 увеличивается, U _вх.2  уменьшается, т. к. по мере заряда емкости С ток заряда уменьшается. В момент времени                       t 1 U _вх.2 уменьшается до значения U _пор. Стадия квазиустойчивого равновесия заканчивается и начинается обратный скачек.

Обратный скачек. При U _вх2 £ U _пор начинается процесс запирания D 2. Положительный перепад U _вых.2 передается на вход D 1, D 1 начинает отпираться, U _вых.1 уменьшается, что приводит к полному запиранию D ₂  и отпиранию D ₁  в течение короткого времени.

    Сразу после скачка емкость С разряжается по цепи:

 «земля – VD – C – 1⁰_вых – земля» с малой постоянной времени 

                                                               (2.20)    

                                                                                                                                                                                         Рис. 2.8. Ждущий мультивибратор: а – схема; б -временные диаграммы работы

    Процесс разряда заканчивается за время     t вос  ≈  3τраз.

    На этом переходные процессы в схеме заканчиваются, схема переходит в устойчивое состояние, которое может длиться бесконечно долго, до прихода следующего запускающего импульса. 

    Таким образом, при подаче короткого запускающего импульса, ждущий мультивибратор вырабатывает один импульс требуемой длительности и поэтому еще называется  одновибратором. Время состояния квазиравновесия определяет длительность формируемого импульса и находится из выражения:

                                       (2.21)

Форма выходного импульса, снимаемого с выхода D ₂, весьма близка к прямоугольной, так как к выходу D ₂ емкость не присоединена и на форму импульса не оказывают влияние процессы заряда и разряда емкости С.

    9.3.3. Автоколебательный мультивибратор на ОУ

 Возможность создания мультивибраторов на операционном усилителе основывается на использовании ОУ в качестве порогового узла (компаратора).

Схема симметричного мультивибратора на ОУ приведена на            рис. 2.9, а. Ее основой является компаратор на ОУ с положительной обратной связью, обладающий передаточной характеристикой вида, изображенного рис. 9.9, б. Автоколебательный режим работы                  создается  благодаря подключению к инвертирующему входу ОУ времязадающей цепи из конденсатора  С  и резистора R. Принцип действия схемы иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рис. 2.9, в.

Предположим, что до момента времени t ₁ напряжение между входами ОУ U ₀ > 0. Это определяет напряжение на выходе ОУ               U вых. = – U _max. и на его неинвертирующем входе U ₊ = – U пор.,                         причем U пор.  =  γ Umax,  где γ – коэффициент положительной обратной связи,  равный    R ₁/(R ₁  +   R ₂).

Наличие на выходе схемы напряжения – U _max обуславливает процесс заряда конденсатора  С через резистор R с полярностью, указанной на рис, 9.9, а без скобок. В момент времени t 1 экспоненциально изменяющееся напряжение на инвертирующем входе ОУ                  (рис. 2.9, в) достигает величины напряжения на неинвертирующем входе – U _пор. Напряжение U ₀ становится равным нулю, что вызывает изменение полярности напряжения на выходе ОУ: U _вых =  + U _max.    Напряжение  на неинвертирующем входе изменяет знак и становится равным U ₊ =  + U _пор. 

С момента времени t ₁ начинается перезаряд конденсатора от уровня – U пор. Конденсатор стремится перезарядиться в цепи с резистором R  до уровня + U max с полярностью напряжения, указанной на рис. 2.9, а в скобках. В момент времени t ₂ напряжение на конденсаторе достигает значения + U _пор. Напряжение U ₀ становится равным нулю, что вызывает переключение ОУ в противоположное состояние (рис. 2.9, в). Далее процессы в схеме протекают аналогично.

Таким образом, мультивибратор генерирует напряжение прямоугольной формы «МЕАНДР» с периодом T = t _и1 + t _и2. Так как в данной схеме τ _з  =   τ _раз., и |– U пор.| = |+ U пор.|, то t _и1 = t _и2, то период T генерируемых импульсов:

                                                    (2.22)  

Учитывая, что + U max ≈ + E, а U пор. = γ Е, можно привести приближенное выражение для определения периода колебаний в виде:

                                                                                   (2.23)

где   γ  =   R ₁/(R ₁ + R ₂).

                                       

 

 

Рис. 2.10. Автоколебательный мультивибратор на ОУ: