一種非常簡單且極為有用的運(yùn)算放大器電路

運(yùn)算放大器是一個(gè)非常通用的裝置，其可以以各種不同的電子電路和應(yīng)用中使用，從電壓放大器，向過濾器，對信號調(diào)節(jié)器。但是，基于任何通用運(yùn)算放大器的一種非常簡單且極為有用的運(yùn)算放大器電路就是Astable運(yùn)算放大器多諧振蕩器。

我們在有關(guān)順序邏輯的教程中看到，可以使用晶體管，邏輯門或?qū)Ｓ?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/137/" target="_blank">芯片（例如NE555定時(shí)器）來構(gòu)建多諧振蕩器電路。我們還看到，不穩(wěn)定的多諧振蕩器在其兩個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)之間連續(xù)切換，而無需任何外部觸發(fā)。

但是使用這些元件來產(chǎn)生一個(gè)不穩(wěn)定的多諧振蕩器電路的問題是，對于基于晶體管的不穩(wěn)定性，需要許多額外的元件，數(shù)字不穩(wěn)定性通常只能在數(shù)字電路中使用，而使用555定時(shí)器可能并不總是給我們帶來好處。對稱輸出，無需附加偏置元件。所述運(yùn)算放大器多諧振蕩器電路然而，能為我們提供的使用只是四個(gè)組件，三個(gè)電阻器和一個(gè)定時(shí)電容器的一個(gè)很好的矩形波信號。

所述運(yùn)算放大器多諧振蕩器是非穩(wěn)態(tài)振蕩器電路，其生成利用連接到所述運(yùn)算放大器的反相輸入端和連接到其它非反相輸入端的分壓器網(wǎng)絡(luò)的RC計(jì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的矩形輸出波形。

與單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)不同，非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器具有兩種狀態(tài)，它們都不是穩(wěn)定的，因?yàn)樗粩嗟卦谶@兩種狀態(tài)之間切換，并且在每種狀態(tài)下花費(fèi)的時(shí)間都由電容器通過電阻器的充電或放電來控制。

在運(yùn)算放大器多諧振蕩器電路中，運(yùn)算放大器用作模擬比較器。運(yùn)算放大器比較器比較其兩個(gè)輸入上的電壓，并根據(jù)輸入是大于還是小于某個(gè)參考值V REF給出正或負(fù)輸出。

但是，由于開環(huán)運(yùn)算放大器比較器對其輸入電壓的變化非常敏感，因此只要輸入電壓為高，輸出可在其正+ V（sat）和負(fù)-V（sat）電源軌之間不受控制地切換。被測電壓接近基準(zhǔn)電壓V REF。

為了消除任何不穩(wěn)定或不受控制的開關(guān)操作，將多諧振蕩器電路中使用的運(yùn)算放大器配置為閉環(huán)施密特觸發(fā)器電路。考慮下面的電路。

運(yùn)算放大器施密特比較器

上面的運(yùn)算放大器比較器電路配置為施密特觸發(fā)器，該觸發(fā)器使用電阻器R1和R2提供的正反饋來產(chǎn)生磁滯。由于此電阻網(wǎng)絡(luò)連接在放大器輸出和同相（+）輸入之間，因此當(dāng)Vout在正電源軌上飽和時(shí)，會將正電壓施加到運(yùn)算放大器的同相輸入。同樣，當(dāng)Vout飽和到負(fù)電源軌時(shí)，將負(fù)電壓施加到運(yùn)算放大器的同相輸入。

由于在運(yùn)放輸出兩端將這兩個(gè)電阻配置為分壓器網(wǎng)絡(luò)，因此參考電壓Vref將取決于反饋到同相輸入的輸出電壓的比例。該反饋分?jǐn)?shù)β表示為：

其中+ V（sat）是正運(yùn)算放大器的DC飽和電壓，而-V（sat）是負(fù)運(yùn)算放大器的DC飽和電壓。

然后，我們可以看到正參考電壓或上參考電壓+ Vref（即反相輸入電壓的最大正值）為：+ Vref = + V（sat）β而參考電壓下或負(fù)參考電壓（即反相輸入端電壓的最大負(fù)值表示為：-Vref = -V（sat）β。

因此，如果Vin超過+ Vref，則運(yùn)算放大器切換狀態(tài)，并且輸出電壓降至其負(fù)DC飽和電壓。同樣，當(dāng)輸入電壓降至-Vref以下時(shí)，運(yùn)算放大器會再次切換狀態(tài)，并且輸出電壓將從負(fù)飽和電壓切換回正DC飽和電壓。施密特比較器在兩個(gè)飽和電壓之間切換時(shí)給出的內(nèi)置磁滯量由兩個(gè)觸發(fā)參考電壓之間的差定義：V HYSTERESIS = + Vref –（-Vref）。

正弦到矩形的轉(zhuǎn)換

除了用作運(yùn)算放大器多諧振蕩器以外，施密特觸發(fā)器比較器的眾多用途之一是，只要正弦波的值大于電壓參考點(diǎn)，我們就可以使用它將任何周期的正弦波波形轉(zhuǎn)換為矩形波形。

實(shí)際上，施密特比較器將始終產(chǎn)生與輸入信號波形無關(guān)的矩形輸出波形。換句話說，電壓輸入不必是正弦波，它可以是任何波形或復(fù)雜波形?？紤]下面的電路。

正弦至矩形轉(zhuǎn)換器

由于輸入波形將是周期性的，并且振幅要比其參考電壓Vref足夠大，因此輸出矩形波形將始終具有與輸入波形相同的周期T和頻率?。

通過用電位計(jì)代替電阻器R1或R2，我們可以調(diào)節(jié)反饋比β，從而調(diào)節(jié)同相輸入端的參考電壓值，以使運(yùn)算放大器在每個(gè)半周期內(nèi)將狀態(tài)從0改變?yōu)?0 o只要參考電壓，Vref保持低于輸入信號的最大幅度。

運(yùn)算放大器多諧振蕩器

通過將正弦輸入替換為跨運(yùn)算放大器輸出的RC定時(shí)電路，我們可以進(jìn)一步將周期波形轉(zhuǎn)換為矩形輸出這一想法。這次，我們可以使用電容器的充電電壓Vc來改變運(yùn)算放大器的輸出狀態(tài)，而不是使用正弦波形來觸發(fā)運(yùn)算放大器。

運(yùn)算放大器多諧振蕩器電路

那么它是怎樣工作的。首先，假設(shè)電容器已完全放電，并且運(yùn)算放大器的輸出在正電源軌處飽和。電容器C開始通過電阻R從輸出電壓Vout充電，其速率由其RC時(shí)間常數(shù)確定。

從有關(guān)RC電路的教程中我們知道，電容器希望在五個(gè)時(shí)間常數(shù)內(nèi)完全充電到Vout的值（即+ V（sat））。但是，一旦運(yùn)算放大器反相（-）端子上的電容器充電電壓等于或大于非反相端子上的電壓（運(yùn)算放大器的輸出電壓在電阻R1和R2之間分配的分壓），則電容輸出將改變狀態(tài)并被驅(qū)動(dòng)至相對的負(fù)電源軌。

但是，已經(jīng)向正電源軌（+ V（sat））愉快充電的電容器，現(xiàn)在在其極板上看到一個(gè)負(fù)電壓-V（sat）。輸出電壓的突然反轉(zhuǎn)導(dǎo)致電容器以其RC時(shí)間常數(shù)再次決定的速率朝新的Vout值放電。

運(yùn)算放大器多諧振蕩器電壓

一旦運(yùn)算放大器的反相端子在同相端子上達(dá)到新的負(fù)基準(zhǔn)電壓-Vref，運(yùn)算放大器就會再次改變狀態(tài)，并將輸出驅(qū)動(dòng)到相對的電源軌電壓+ V（sat）?，F(xiàn)在，電容器的極板上出現(xiàn)一個(gè)正電壓，充電周期再次開始。因此，電容器不斷充電和放電，從而產(chǎn)生了穩(wěn)定的運(yùn)算放大器多諧振蕩器輸出。

輸出波形的周期由兩個(gè)定時(shí)分量的RC時(shí)間常數(shù)以及由設(shè)置參考電壓電平的R1，R2分壓器網(wǎng)絡(luò)建立的反饋比確定。如果放大器飽和電壓的正值和負(fù)值具有相同的幅度，則t1 = t2，給出振蕩周期的表達(dá)式為：

其中：R是電阻，C是電容，ln（）是反饋分?jǐn)?shù)的自然對數(shù)，T是周期時(shí)間（以秒為單位），?是振蕩頻率（以Hz為單位）。

然后，從上式可以看出，運(yùn)算放大器多諧振蕩器電路的振蕩頻率不僅取決于RC時(shí)間常數(shù)，而且取決于反饋分?jǐn)?shù)。但是，如果我們使用的電阻值給出的反饋分?jǐn)?shù)為0.462（β= 0.462），則電路的振蕩頻率將僅等于1 / 2RC，如圖所示，因?yàn)榫€性對數(shù)項(xiàng)等于1。

運(yùn)算放大器多諧振蕩器示例1

一個(gè)運(yùn)算放大器的多諧振蕩器電路是使用以下部件構(gòu)成。R1 =35kΩ，R2 =30kΩ，R =50kΩ和C = 0.01uF。計(jì)算電路的振蕩頻率。

然后計(jì)算出振蕩頻率為1kHz。當(dāng)β= 0.462時(shí)，該頻率可以直接計(jì)算為：?= 1 / 2RC。同樣，當(dāng)兩個(gè)反饋電阻相同時(shí)，即R1 = R2，反饋分?jǐn)?shù)等于3，振蕩頻率變?yōu)椋?= 1 / 2.2RC。

如圖所示，我們可以用一個(gè)電位計(jì)代替一個(gè)反饋電阻，以制造一個(gè)變頻運(yùn)放多諧振蕩器，從而使該運(yùn)放多諧振蕩器電路更進(jìn)一步。

可變運(yùn)算放大器多諧振蕩器

通過在β1和β2之間調(diào)節(jié)中央電位器，輸出頻率將變化以下量。

β1處的電位計(jì)抽頭

β2處的電位計(jì)抽頭

然后，在這個(gè)簡單的示例中，我們可以產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)算放大器多諧振蕩器電路，該電路可以產(chǎn)生從100Hz到1.2kHz的可變輸出矩形波形，或者僅通過改變RC分量值就可以產(chǎn)生所需的任何頻率范圍。

上面我們已經(jīng)看到，可以使用標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器（例如741）和一些其他組件來構(gòu)建運(yùn)算放大器多諧振蕩器電路。這些電壓控制的非正弦弛豫振蕩器通常被限制在幾百千赫茲（kHz），因?yàn)檫\(yùn)放沒有所需的帶寬，但是它們?nèi)匀皇浅錾恼袷幤鳌?/p>

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