Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýza

V tomto článku budeme podrobně studovat obvody Schmittova komparátoru a oscilátoru s různými souvisejícími parametry. Jak jsme doposud viděli, že operační zesilovač se používá v různých oblastech aplikací a je tak univerzálním zařízením, jeho význam jako součásti analogových obvodů je obrovský. Jednou z nejpohodlnějších aplikací operačního zesilovače je multivibrátorový obvod. Budeme podrobně studovat typy a fungování multivibrátorového obvodu konstruovaného pomocí op-zesilovačů (op-amp multivibrátorů) a dalších pasivních zařízení, jako jsou kondenzátory, diody, rezistory atd.

Obsah

  • Představení multivibrátorů
  • Využití pozitivní zpětné vazby v multivibrátoru
  • Co je Schmittův spouštěč?
  • Schmittův komparátor spouštěcího obvodu s uzavřenou smyčkou nebo bistabilní multivibrátor
  • Charakteristiky přenosu napětí bistabilního multivibrátoru
  • Astabilní multivibrátor nebo Schmittův spouštěcí oscilátor
  • Pracovní cyklus oscilátoru

Představení multivibrátoru a Schmittova spouštěcího obvodu

Multivibrátorové obvody jsou sekvenční logické obvody a jsou mnoha typů v závislosti na tom, jak jsou vytvořeny. Některé multivibrátory lze vyrobit pomocí tranzistorů a logických hradel, zatímco jako multivibrátory jsou k dispozici dokonce i vyhrazené čipy, například časovač NE555. Obvod multivibrátoru s operačním zesilovačem má oproti jiným multivibrátorovým obvodům několik výhod, protože pro svou práci vyžaduje mnohem méně komponent, menší předpětí a produkuje lepší symetrické obdélníkové vlnové signály s použitím relativně méně komponent.

Typy multivibrátorů

Existují hlavně tři typy obvodů multivibrátoru:

  1. Astabilní multivibrátor,
  2. monostabilní multivibrátor
  3. Bistabilní multivibrátor.

Monostabilní multivibrátor má jediný stabilní stav, zatímco počet stabilních stavů, které bistabilní multivibrátor má, je 2.

Jak jsme se v předchozí části dozvěděli o operačním zesilovači jako komparátoru, v konfiguraci s otevřenou smyčkou může komparátor přepínat mimo kontrolu mezi pozitivním napětím napájecího napájecího napětí a záporným nasycením napájecího napájecího napětí, když se vstupní napětí blíží k tomu je přivedeno referenční napětí. Proto, aby měl kontrolu nad tímto nekontrolovatelným přepínáním mezi dvěma stavy, se operační zesilovač používá v konfiguraci zpětné vazby (obvod s uzavřenou smyčkou), která je známá zejména jako Schmittův spouštěcí obvod s uzavřenou smyčkou nebo bistabilní multivibrátor.

Využití pozitivní zpětné vazby v multivibrátoru a hysterezní efekt

Doposud jsme se o konfiguraci negativní zpětné vazby v operačních zesilovačích dozvěděli v předchozích částech. Existuje také další typ konfigurace zpětné vazby známý jako pozitivní zpětná vazba, která se také používá pro konkrétní aplikace. V konfiguraci s kladnou zpětnou vazbou je výstupní napětí přiváděno zpět (připojeno) k neinvertující (kladné) vstupní svorce na rozdíl od záporné zpětné vazby, kde bylo výstupní napětí připojeno k invertující (záporné) vstupní svorce.

Operační zesilovač provozovaný v konfiguraci s pozitivní zpětnou vazbou má tendenci zůstat v tomto konkrétním výstupním stavu, ve kterém je přítomen, tj. Buď v nasyceném pozitivním nebo nasyceném negativním stavu. Technicky je toto západkové chování v jednom ze dvou stavů známé jako hystereze.

Pokud vstupní aplikovaný signál v komparátoru sestává z několika dalších harmonických nebo špiček (šumů), pak by se výstup komparátoru mohl neočekávaně a nekontrolovatelně přepnout do dvou nasycených stavů. V tomto případě nedostaneme pravidelný symetrický obdélníkový výstup aplikovaného vstupního sinusového průběhu.

Pokud ale ke vstupnímu signálu komparátoru přidáme nějakou pozitivní zpětnou vazbu, tj. Použijeme komparátor v konfiguraci pozitivní zpětné vazby; do výstupu zavedeme blokovací chování, které technicky nazýváme hysterezí na výstupu. Dokud a pokud nedojde k zásadní změně velikosti vstupního střídavého (sinusového) napěťového signálu, hysterezní efekt bude i nadále zajišťovat, aby výstup obvodu zůstal v aktuálním stavu.

Co je Schmittův spouštěč?

Společnost Schmitt spoušť nebo bistabilní multivibrátor pracuje v konfiguraci s pozitivní zpětnou vazbou se ziskem smyčky větším než jednota, aby fungoval jako bistabilní režim. Napětí V+ může být.

Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýza
Schmittův komparátor spouštění
Schmittův komparátor spouštění nebo bistabilní multivibrátor
Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýza
Charakteristiky přenosu napětí Schmittova spouštěcího komparátoru

Výše uvedený obrázek představuje výstupní napětí versus křivka vstupního napětí (která je také známá jako charakteristika přenosu napětí), zejména ukazuje hysterezní účinek. Přenosová charakteristika má dvě specifické oblasti, křivku s rostoucím vstupním napětím a část křivky, ve které se vstupní napětí snižuje. Napětí V+ nemá konstantní hodnotu, ale místo toho je funkcí výstupního napětí V0.

Charakteristiky přenosu napětí

V charakteristikách přenosu napětí V= VH, nebo ve vysokém stavu. Pak,

Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýza

Vyšší křížové napětí VTH

Pokud je signál menší než signál V+, výstup zůstane ve svém vysokém stavu. Křížové napětí VTH nastane, když V= V+ a vyjádřeno takto:

Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýza

Když Vi > VTH, napětí na invertující svorce je větší než na neinvertující svorce. Napětí V+ pak se ukázalo být

Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýza

Dolní křížové napětí VTL

Vzhledem k tomu, V<VH vstupní napětí Vi je stále více než V+a výstup spočívá ve svém nízkém stavu jako Vi pokračovat ve zvyšování; Pokud Vi klesá, pokud je vstupní napětí Vi je větší než V+, výstup zůstane ve stavu nasycení. Křížové napětí zde a nyní nastane, když V= V+ a toto VTL vyjádřeno jako

Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýza

Jako Vi nadále klesá, zůstává menší než V+; proto, V0 zůstává ve vysokém stavu. Tuto přenosovou charakteristiku můžeme pozorovat na výše uvedeném obrázku. Efekt hystereze je uveden v diagramu čistého přenosu.

Co je Schmittův spouštěcí oscilátor?

Astabilní multivibrátor nebo Schmittův spouštěcí oscilátor

Astabilní multivibrátor je dosažen připojením RC sítě ke spouštěcímu obvodu Schmitt ve zpětné vazbě. Jak budeme postupovat sekcí, uvidíme, že obvod nemá žádné stabilní stavy, a proto je také známý jako astabilní multivibrátorový obvod.

Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýza
Astabilní obvod multivibrátoru nebo Schmittův spouštěcí oscilátor

Jak je vidět na obrázku, RC síť je nastavena na cestu negativní zpětné vazby a invertující vstupní svorka je připojena k zemi přes kondenzátor, zatímco neinvertující svorka je připojena ke křižovatce mezi rezistory R1 a R2 jak je znázorněno na obrázku.

Nejprve R.1 a R2 se má rovnat R a předpokládejme, že se výstupy symetricky přepínají kolem nulových voltů, přičemž vysoký nasycený výstup představuje V= VP a nízký nasycený výstup označený V= -VP. Pokud Vje nízká nebo V= -VP, pak V+ = - (1/2) VP.

Když Vx klesá jen mírně pod V+, výstup se přepne na vysokou hodnotu, takže V= + VP a V= + (1/2) VP. Rovnici napětí na kondenzátoru v RC síti lze vyjádřit jako:

Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýza

Kde τx je časová konstanta, kterou lze definovat jakoτx= RxCx. Napětí Vx se zvyšuje směrem ke konečnému napětí VP exponenciálním způsobem s ohledem na čas. Když však Vx se ukázalo být o něco větší než V= + (1/2) VP, výstup se posune do svého nízkého stavu V0 = -VP a Vx = - (1/2) VP. RxCx síť je spuštěna negativním ostrým přechodem napětí, a tím i kondenzátoru Cx začněte vybíjet a napětí Vx klesá směrem k hodnotě –VP. Můžeme tedy vyjádřit Vas

Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýza

Kde t1 označuje časový okamžik, kdy se výstup obvodu přepne do nízkého stavu. Výboj kondenzátoru exponenciálně V+ = - (1/2) VP, výstup se opět posune na vysokou hodnotu. Proces se v průběhu času kontinuálně opakuje, což znamená, že oscilací tohoto obvodu s pozitivní zpětnou vazbou je produkován výstupní signál ve tvaru obdélníku. Obrázek níže ukazuje výstupní napětí V0 a napětí kondenzátoru Vx s ohledem na čas.

Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýza
Schmittův spouštěcí oscilátor: Graf výstupního napětí a napětí kondenzátoru s ohledem na čas

Čas t1 lze najít nahrazením t = t1 a Vx = VP/ 2 v obecné rovnici pro napětí na kondenzátoru.

Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýza

Z výše uvedené rovnice, když řešíme pro t1, dostaneme

Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýza

Na čas t2 (jak je vidět na výše uvedeném obrázku), přistupujeme podobným způsobem a z podobné analýzy pomocí výše uvedené rovnice je zřejmé, že rozdíl mezi t2 at1 je také 1.1RxCx. Z toho můžeme odvodit, že časové období oscilace T lze definovat jako T = 2.2 RxCx

A frekvenci lze tedy vyjádřit jako  

 Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýza

Pracovní cyklus oscilátoru

Procento času výstupního napětí (V0) multivibrátoru je ve svém vysokém stavu, zejména se nazývá pracovní cyklus oscilátoru.

Pracovní cyklus oscilátoru je           

Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýza

Jak je vidět na obrázku, zobrazující výstupní napětí a napětí kondenzátoru v závislosti na čase, pracovní cyklus je 50%.

Další článek týkající se elektroniky klikněte zde

O Amritovi Shawovi

Schmittův komparátor spouštění a oscilátor | Astabilní a bistabilní multivibrátor Důležitá analýzaPřipojte se k našemu bývalému autorovi: LinkedIn (https://www.linkedin.com/in/amrit-shaw/)

en English
X