Методика расчёта мультивибратора на операционных усилителях

Схема симметричного мультивибратора на операционном усилителе приведена на рисунке 3.

Мультивибратор имеет две цепи обратной связи. Цепь обратной связи неинвертирующего входа образована двумя резисторами (R₂ и R₃) и, следовательно,

.

Рисунок 3 - Симметричный мультивибратор на операционном усилителе

Обратная связь по инвертирующему входу образована цепочкой С₁, поэтому напряжение на инвертирующем входе зависит не только от напряжения на входе усилителя, но и является функцией времени, поскольку = (t).

Процессы, протекающие в мультивибраторе, рассмотрим, начиная с момента времени t₀ (рисунок 4). При этом конденсатор С_1, в результате процессов протекающих в предшествующие моменты времени, заряжен таким образом, что к инвертирующему входу приложено отрицательное напряжение. На неинвертирующем входе, в соответствии с формулой 3, действует напряжение . Напряжение остаётся постоянным, а напряжение на с течением времени увеличивается, стремясь к уровню U_ВЫХ⁺, поскольку в схеме протекает процесс перезарядки конденсатора С₁. Однако, пока

> , состояние усилителя определяет напряжение на неинвертирующем входе и на выходе сохраняется уровень .

Рисунок 4 - Временные диаграммы симметричного мультивибратора

В момент времени напряжения на входах операционного усилителя становятся равными: . Дальнейшее незначительное увеличение приводит к тому, что дифференциальное (разностное) напряжение на инвертирующем входе усилителя оказывается положительным, поэтому напряжение на выходе резко уменьшается и становится отрицательным . Так как напряжение на выходе операционного усилителя изменило полярность, то конденсатор С₁ в дальнейшем перезаряжается и напряжение на нём, а также напряжение на инвертирующем входе, стремится к .

В момент времени t₂ опять и затем дифференциальное (разностное) напряжение на входе усилителя становится отрицательным. Так как оно действует на инвертирующем входе, то напряжение на выходе усилителя скачком опять принимает значение . Напряжение на неинвертирующем входе также скачком изменяется . Конденсатор С₁, который к моменту времени t₂ зарядился до отрицательного напряжения, опять перезаряжается и напряжение на инвертирующем входе возрастает, стремясь к . Так как при этом > , то из временной диаграммы (рис. 4), в момент времени t₂ полный цикл работы схемы заканчивается и в дальнейшем, процессы в ней повторяются.

Таким образом, на выходе схемы генерируются периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы, амплитуда которых при = = равна .

Длительность импульсов (интервал времени t₀ – t₁) определяется временем перезарядки конденсатора С₁ по экспоненциальному закону от до с постоянной времени , где – выходное сопротивление операционного усилителя.

Поскольку во время паузы (интервал времени t₁ – t₂) перезарядка конденсатора С₁ происходит в точно таких же условиях, что и при формировании импульсов . Следовательно, схема работает как симметричный мультивибратор.

В несимметричном мультивибраторе на операционном усилителе (рисунок 5) перезарядка конденсатора С₁ в паузе и во время формирования импульса осуществляется через различные резисторы.

Рисунок 5 - Схема несимметричного мультивибратора

Когда напряжение на выходе усилителя положительное ( ) и формируется импульс, то диод VD1 открыт и перезарядка происходит с постоянной времени . При отрицательном напряжении на выходе ( ) открыт диод VD2 и постоянная времени перезарядки конденсатора С₁, определяющая длительность паузы, _.