Схемы нелинейных операционных усилителей

Нелинейные ОУПомимо очевидных областей усиления, операционный усилитель также можно использовать для множества других схем. В этой статье мы расскажем о нескольких часто используемых схемах нелинейных операционных усилителей.

В схемах нелинейных операционных усилителей входные/выходные характеристики нелинейны, т.е. не являются прямой линией.

Операционные усилители, наряду с линейными схемами, также широко используются для конфигурирования нелинейных схем, то есть схем, выходной сигнал которых демонстрирует нелинейное изменение по отношению к изменению входного сигнала. Эти схемы широко известны как переключающие схемы, выход которых переключается между положительным и отрицательным уровнями напряжения насыщения. Наиболее часто используемыми конфигурациями схем являются детекторы пересечения нуля, триггер Шмитта, нестабильные и моностабильные мультивибраторы.

Детектор пересечения нуля

Детектор пересечения нуля представляет собой простейшую схему коммутационных схем операционных усилителей. В этой конфигурации входной сигнал подается на одну из входных клемм, а другой вход подключен к земле. Эта схема не нуждается в обратной связи.

Неинвертирующий детектор перехода через нуль

Если источник входного сигнала подключен к неинвертирующей входной клемме операционного усилителя, а инвертирующая входная клемма заземлена, схема называется неинвертирующим детектором пересечения нуля. Схема цепи показана ниже:

Неинвертирующий детектор перехода через нуль

Когда входной сигнал находится выше уровня земли, выход схемы насыщается в его положительном экстремуме. Когда вход опускается ниже уровня земли, выходное напряжение схемы немедленно переключается на отрицательный уровень насыщения. Каждый раз, когда входной сигнал пересекает нулевой уровень напряжения, выход переключается между одним уровнем насыщения и другим. Поскольку выход вышеуказанной схемы переходит в положительное насыщение, когда приложенное входное напряжение положительно, схема классифицируется как неинвертирующий детектор пересечения нуля. Формы входных и выходных сигналов типичного неинвертирующего детектора пересечения нуля показаны на схеме выше. Независимо от формы входной волны, выход всегда представляет собой прямоугольную волну.

Инвертирующий детектор пересечения нуля

Если входной сигнал подается на инвертирующую входную клемму операционного усилителя, а неинвертирующая входная клемма подключена к земле, схема называется инвертирующим детектором пересечения нуля. Схема показана ниже:

Читать также:  Что такое программное обеспечение?

Инвертирующий детектор пересечения нуля

Когда вход находится выше уровня земли, выход насыщается при отрицательном экстремальном напряжении. Когда входное напряжение падает ниже уровня земли, выход немедленно переключается на положительное напряжение насыщения. Поскольку выход насыщается при отрицательном напряжении, когда вход положительный, эта схема называется инвертирующим детектором пересечения нуля. Формы входного и выходного сигналов инвертирующего детектора пересечения нуля показаны выше.

Схема триггера Шмитта

Цепь детектора пересечения нуля с обратной связью, обычно положительной, представляет собой триггер Шмитта. Схема триггера Шмитта имеет заранее заданные верхний и нижний уровни входного напряжения, которые вызывают переключение выхода с одного уровня насыщения на другой.

Схема триггера Шмитта

Схема типичного триггера Шмитта показана выше. Входное напряжение Vin подается на инвертирующий вход, а часть выходного напряжения подключается в качестве обратной связи к неинвертирующему входу через сеть делителя потенциала. Входное напряжение Vin  вызывает изменение выходного напряжения Vout  с одного уровня насыщения на другой каждый раз, когда входное напряжение превышает определенный заранее заданный уровень напряжения. Эти уровни напряжения называются верхним пороговым напряжением (VUT ) и нижним пороговым напряжением (LT ).

Входные и выходные сигналы триггера Шмитта

Входные и выходные сигналы схемы триггера Шмитта показаны выше. Можно видеть, что до тех пор, пока входное напряжение Vin  меньше верхнего порогового напряжения VUT , выходное напряжение насыщается в своем положительном экстремуме +Vsat . Когда входное напряжение выходит за пределы VUT , выход немедленно переключается на отрицательный уровень насыщения -Vsat .

Верхние и нижние точки срабатывания (пороговые напряжения) могут быть математически получены с использованием соотношения:

VUT = [R2.(+Vsat)]/(R1+R2) and VLT = R2.(-Vsat)/(R1+R2)

Если, R2/(R1+R2) = β, then VUT = β (+Vsat) and VLT = β (-Vsat)

Вышеупомянутые уравнения показывают, что при соответствующем выборе номиналов резисторов R1 и R2 верхний и нижний пороговые уровни можно регулировать и точно контролировать.

Нестабильный мультивибратор на операционном усилителе

Схема нестабильного мультивибратора на операционном усилителе создается путем добавления внешних компонентов к детектору пересечения нуля или схеме триггера Шмитта. Нестабильный мультивибратор представляет собой нелинейную конфигурацию схемы с использованием операционного усилителя (выход изменяется нелинейно по отношению к входу), который генерирует прямоугольные волны без какого-либо внешнего запуска. Эта схема не имеет стабильного выходного состояния, только два квазисостояния. Выход непрерывно колеблется между этими двумя квазистабильными состояниями.

Читать также:  Тест: «Реактивное сопротивление»

Нестабильный мультивибратор в основном представляет собой осциллятор, поскольку для его запуска не требуется внешнего импульса. По этой причине схему часто называют автономным генератором. Однако в схеме используется источник питания постоянного тока для операционного усилителя. Нестабильный мультивибратор может быть сконфигурирован для создания прямоугольных сигналов требуемой частоты, амплитуды и рабочего цикла.

Принципиальная схема нестабильного мультивибратора с использованием операционного усилителя показана ниже. Схема представляет собой схему триггера Шмитта с обратной связью и входным конденсатором на инвертирующем входе.

Принципиальная схема нестабильного мультивибратора

Когда выход схемы нестабильного мультивибратора находится на положительном уровне насыщения, ток течет через резистор обратной связи R1 в конденсатор C. Это заряжает конденсатор с положительной верхней пластиной. Конденсатор заряжается до тех пор, пока его напряжение не достигнет верхнего напряжения срабатывания триггера Шмитта. В этот момент выход схемы немедленно переключается на отрицательный уровень насыщения. В конденсатор теперь не поступает ток, и, таким образом, конденсатор начинает разряжаться. Разрядка конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не достигнет нижнего напряжения срабатывания триггера Шмитта. Выход переключается на положительный уровень насыщения, и цикл повторяется.

Можно отметить, что схема представляет собой генератор прямоугольных импульсов, выходной сигнал которого колеблется между положительным и отрицательным уровнями напряжения насыщения операционного усилителя. Частота выходного сигнала прямоугольной формы зависит от емкости C и сопротивления резистора обратной связи R1.

Осциллограммы выходного напряжения и напряжения на конденсаторе нестабильного мультивибратора показаны ниже:

Осциллограммы выходного напряжения

Та же конфигурация схемы может быть использована для генерации прямоугольных импульсов регулируемой частоты в диапазоне, путем последовательного включения потенциометра между резисторами R2 и R3 . Регулируя значение сопротивления потенциометра, можно изменять частоту выходного прямоугольного сигнала.

Читать также:  Что такое операционная система?

Моностабильный мультивибратор на операционном усилителе

Моностабильный мультивибратор, как следует из названия, представляет собой схему с одним стабильным выходным состоянием. Его нормальное выходное напряжение может быть высоким или низким, и он остается в этом состоянии до срабатывания. При подаче запускающего импульса выход переключается в противоположное состояние на время, которое зависит от RC-компонентов цепи.

Моностабильный мультивибратор на ОУ

Схема типичного моностабильного мультивибратора на операционном усилителе показана выше. Инвертирующий вход операционного усилителя заземляется через резистор R3 ,  а неинвертирующий вход смещается положительно резисторами R1 и R2 , который заряжается с указанной полярностью.

Когда входной импульс Vin  подается на конденсатор C1 , вход дифференцируется конденсатором C1 и резистором R3 для создания положительных и отрицательных выбросов на инвертирующем входе операционного усилителя. Отрицательный выброс отсекается на уровне -0,7 В диодом D1, так что отрицательный выброс не влияет на схему. Положительный выброс повышает напряжение инвертирующего входного вывода выше напряжения смещения неинвертирующего входного вывода. Следовательно, выход операционного усилителя переключается на отрицательный уровень насыщения. Продолжительность всплеска очень короткая, и инвертирующее входное напряжение быстро возвращается к нулю. Однако, когда выход переходит в отрицательное насыщение, конденсатор С2  управляет неинвертирующим входным напряжением. Это удерживает неинвертирующий входной терминал ниже уровня земли после исчезновения всплеска, таким образом сохраняя выходной сигнал на отрицательном уровне насыщения.

Моностабильный мультивибратор

Когда выход находится на отрицательном уровне насыщения, конденсатор C2 начинает разряжаться через резисторы R1 и R2 , постепенно повышая неинвертирующее входное напряжение до уровня земли. Когда неинвертирующее входное напряжение поднимается немного выше уровня земли, выход операционного усилителя немедленно переключается на положительный уровень насыщения, и схема возвращается в исходное состояние. Ширина импульса выходной волны зависит от емкости С2 и напряжения смещения VR2 , а также от сопротивлений R1 и R2 .

В следующей статье мы с вами поговорим о применении операционных усилителей.

С Уважением, МониторБанк

Добавить комментарий