Генератор прямокутних імпульсів на операційному підсилювачі

Схемагенератора на операційному підсилювачі (ОП)зображена на рис. 9 [11]. Автоколивальний режим роботи генератора забезпечується за рахунок позитивного зворотного зв’язку, який утворюються включенням дільника R 2, R 3 між виходом та неінвертуючим входом операційного підсилювача. Частота вихідного сигналу залежить від параметрів інтегруючого кола R 1, C 1, яке зв’язує вихід та інвертуючий вхід ОП. Для отримання однополярних імпульсів ТТЛ-рівня до складу генератора входить електронний ключ на транзисторі VT 1.

Операційний підсилювач в схемі генератора фактично працює як компаратор, порівнюючи величини напруг, що подаються на його інвертуючий та неінвертуючий входи. Крім цього ОП виконує функцію джерела напруг заряду і розряду конденсатора.

Рис. 9. Генератор прямокутних імпульсів на операційному підсилювачі

Припустимо, що в процесі регенерації ОП опинився в насиченні за позитивною полярністю і на його виході присутня максимальна позитивна напруга . При цьому напруга на неінвертуючому вході ОП залежить від коефіцієнта передачі кола позитивного зворотного зв’язку і дорівнює . Під дією вихідної напруги ОП відбувається заряд конденсатора з постійною часу , що призводить до збільшення напруги на інвертуючому вході. Як тільки ця напруга досягає рівня відбувається переключення ОП у режим насичення за негативною полярністю і на його виході з’являється напруга . При цьому на неінвертуючий вхід через дільник R 2, R 3 подається напруга . Негативна напруга на виході ОП призводить до розряду та перезаряду з протилежною полярністю конденсатора, що призводить до зменшення потенціалу на інвертуючому вході. Як тільки напруга на конденсаторі досягає рівня , операційний підсилювач знову переключається у режим насичення за позитивною полярністю. Подібні процеси повторюються періодично. При цьому на виході ОП формується періодична послідовність двохполярних прямокутних імпульсів. За допомогою транзисторного ключа такий сигнал перетворюється у однополярну імпульсну послідовність ТТЛ-рівня.

Тривалість вихідних імпульсів та пауз між імпульсами визначається перш за все постійною часу інтегруючого кола , а також залежить від коефіцієнта передачі дільника R 2, R 3

.

Розглянемо методику розрахунку генератора на ОП. Вихідні дані для розрахунку: – частота вихідних імпульсів (несуча частота або частота маніпуляції ); рівень вихідного сигналу – ТТЛ.

1. Визначаємо тривалість імпульсів та пауз між імпульсами

.

2. Обираємо тип операційного підсилювача. При цьому враховуємо швидкодію ОП. Необхідно, щоб виконувалась умова

,

де – максимальна швидкість зміни вихідної напруги ОП, – максимальна вихідна напруга ОП. Параметри операційних підсилювачів наведені у довідниковій літературі [7, 8]. Параметри та схеми включення деяких ОП наведені також у Додатках А, Б.

3. Визначаємо допустимий вихідний струм операційного підсилювача

,

где – мінімальний опір навантаження, який дозволяється підключати до обраного ОП (визначається за довідником).

4. Розраховуємо елементи дільника R 2, R 3.

Обираємо струм дільника

.

Обираємо коефіцієнт передачі дільника . Рекомендується прийняти . Для запобігання виходу із строю операційного підсилювача необхідно, щоб виконувалась умова

,

де – максимально допустима диференціальна вхідна напруга ОП.

Визначаємо опір резисторів R 2, R 3

,

.

5. Обираємо ємність конденсатора С 1

,

де – ємність монтажу (10…20 пФ).

6. Визначаємо опір резистора R 1

.

7. Обираємо напругу живлення транзисторного ключа та опір колекторного резистора R 5. Для отримання імпульсів стандартного ТТЛ-рівня приймаємо , .

8. Обираємо тип транзистора VT 1. Необхідно, щоб параметри транзистора задовольняли наступним вимогам

,

,

,

де – допустима напруга між колектором та емітером транзистора, – допустимий колекторний струм, – гранична частота транзистора.

9. Визначаємо опір резистора R 4, виходячи із умови насичення біполярного транзистора

,

де – мінімальне значення коефіцієнту передачі за струмом для обраного транзистора; – коефіцієнт насичення транзистора.

Приймаємо, що номінальна потужність розсіювання для всіх резисторів генератора на ОП дорівнює 0,125 Вт.

10. Обираємо тип напівпровідникового діода VD 1. Перевіряємо виконання умови

,

де – час відновлення зворотного опору для обраного діоду (визначається за довідником). Рекомендується обирати малопотужний імпульсний діод.