運算放大器多諧振蕩器的比較和轉(zhuǎn)換案例

運算放大器多諧振蕩器是一種非反相運算放大器電路，可借助RC反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生自己的輸入信號

運算放大器或Op-amp是一種非常通用的設(shè)備，可用于各種不同的電子電路和應(yīng)用，從電壓放大器到濾波器，再到信號調(diào)節(jié)器。但是，基于任何通用運算放大器的一個非常簡單且非常有用的運算放大器電路是Astable運算放大器多諧振蕩器。

我們在關(guān)于順序邏輯的教程中看到多諧振蕩器電路可以用晶體管構(gòu)建，邏輯門或來自專用芯片，如NE555定時器。我們還看到，非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器在兩個不穩(wěn)定狀態(tài)之間連續(xù)切換，無需任何外部觸發(fā)。

但使用這些元件產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路的問題在于基于晶體管的非穩(wěn)態(tài)器件，很多需要額外的元件，數(shù)字電源通常只能用于數(shù)字電路，而555定時器的使用可能并不總是給我們一個沒有額外偏置元件的對稱輸出。然而，運算放大器多諧振蕩器電路可以為我們提供良好的矩形波信號，僅使用四個元件，三個電阻和一個定時電容。

運算放大器多諧振蕩器是一個非常穩(wěn)定的振蕩器電路，它使用連接到運算放大器的反相輸入的RC定時網(wǎng)絡(luò)和連接到另一個非反相輸入的分壓網(wǎng)絡(luò)來生成矩形輸出波形。

與單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)不同，非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器有兩種狀態(tài)，它們都不穩(wěn)定，因為它在這兩種狀態(tài)之間不斷切換，每種狀態(tài)所花費的時間由電容器通過電阻充電或放電控制。

在運算放大器多諧振蕩器電路中，運算放大器用作模擬比較器。運算放大器比較器比較兩個輸入端的電壓，并根據(jù)輸入是大于還是小于某個參考值 V REF 給出正輸出或負(fù)輸出。

然而，由于開環(huán)運算放大器比較器對其輸入電壓變化非常敏感，因此輸出可以在其正， + V（sat）之間不受控制地切換。每當(dāng)測量的輸入電壓接近參考電壓 V REF 時，負(fù)極， -V（sat）供電軌。

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

運算放大器施密特比較器

運算放大器上面的比較器電路配置為施密特觸發(fā)器，使用電阻 R1 和 R2 提供的正反饋來產(chǎn)生滯后。由于此電阻網(wǎng)絡(luò)連接在放大器輸出和非反相（+）輸入之間，當(dāng) Vout 在正電源軌飽和時，正電壓施加到運算放大器的非反相輸入。同樣，當(dāng) Vout 飽和到負(fù)電源軌時，負(fù)電壓會施加到運算放大器的非反相輸入端。

由于兩個電阻器配置在整個運算放大器上-amps輸出作為分壓器網(wǎng)絡(luò)，參考電壓 Vref 因此將取決于反饋到非反相輸入的輸出電壓的分?jǐn)?shù)。該反饋分?jǐn)?shù)β的給出如下：

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

然后我們可以看到正或參考電壓 + Vref （即反相輸入電壓的最大正值）如下： + Vref = + V（sat）β -Vref = -V（sat）β。

因此，如果 Vin 超過 + Vref ，則運算放大器開關(guān)狀態(tài)，輸出電壓降至其負(fù)DC飽和電壓。同樣，當(dāng)輸入電壓低于 -Vref 時，運算放大器再次切換狀態(tài)，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飽和電壓之間切換時給出的內(nèi)置遲滯量由兩個觸發(fā)參考電壓之間的差值定義為： V HYSTERESIS = + Vref-（ -Vref）。

正弦到矩形轉(zhuǎn)換

除運算放大器多諧振蕩器外，施密特觸發(fā)器比較器的眾多用途之一就是我們可以用它將任何周期性的正弦波形轉(zhuǎn)換成矩形波形，只要正弦波的值大于電壓參考點。

事實上，施密特比較器總是產(chǎn)生一個獨立于輸入信號的矩形輸出波形波形。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。

正弦到矩形轉(zhuǎn)換器

因為輸入波形會如果是周期性的并且其幅度足夠大于其參考電壓 Vref ，則輸出矩形波將始終具有相同的周期， T 因此頻率?作為輸入波形。

通過用電位計替換電阻 R1 或 R2 ，我們可以調(diào)整反饋分?jǐn)?shù)，β 因此，非反相輸入端的參考電壓值會使運算放大器在每個半周期的0到90 o 范圍內(nèi)改變狀態(tài)，只要參考電壓 Vref 保持低于輸入信號的最大幅度。

運算放大器多諧振蕩器

我們可以采用將周期波形轉(zhuǎn)換為矩形輸出的想法通過連接RC定時電路替換正弦輸入跨越運算放大器輸出。這次，我們可以使用電容器充電電壓 Vc 來改變運算放大器的輸出狀態(tài)，而不是用于觸發(fā)運算放大器的正弦波形。

運算放大器多諧振蕩器電路

那么它是如何工作的。首先假設(shè)電容器完全放電，運算放大器的輸出在正電源軌上飽和。電容 C 開始從輸出電壓 Vout 通過電阻器 R 充電，其速率由 RC <確定/ span>時間常數(shù)。

我們從RC電路的教程中了解到，電容器需要完全充電到 Vout （ + V（）在五個時間常數(shù)內(nèi)。但是，只要運算放大器反相（ - ）端的電容充電電壓等于或大于同相端的電壓（運算放大器輸出電壓分?jǐn)?shù)除以電阻 R1 和 R2 ），輸出將改變狀態(tài)并被驅(qū)動到相反的負(fù)電源軌。

但是電容器一直快樂地向正電源充電（ + V（sat）），現(xiàn)在看到其板上的負(fù)電壓 -V（sat）。輸出電壓的這種突然反轉(zhuǎn)導(dǎo)致電容器以 RC 時間常數(shù)再次指示的速率向 Vout 的新值放電。

運算放大器多諧振蕩器電壓

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運算放大器的反相端子達(dá)到新的負(fù)參考電壓后， -Vref 在非反相端，運算放大器再次改變狀態(tài)，輸出被驅(qū)動到相反的供電軌電壓 + V（sat）。電容器現(xiàn)在看到其板上的正電壓，充電周期再次開始。因此，電容器不斷充電和放電，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的運算放大器多諧振蕩器輸出。

輸出波形的周期由兩個定時元件的 RC 時間常數(shù)決定。以及由 R1，R2 分壓器網(wǎng)絡(luò)建立的反饋比，用于設(shè)置參考電壓電平。如果放大器飽和電壓的正負(fù)值具有相同的幅度，那么 t1 = t2 并且給出振蕩周期的表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

然后我們可以從上面的等式中看出，運算放大器多諧振蕩器電路的振蕩頻率不僅取決于 RC 時間常數(shù)，但也反饋分?jǐn)?shù)。但是，如果我們使用的反饋分?jǐn)?shù)0.462（β= 0.462），那么電路的振蕩頻率將僅等于1 /如圖所示，因為線性對數(shù)項變?yōu)榈扔?。

運算放大器多諧振蕩器示例No1

運算放大器多諧振蕩器電路使用以下組件。 R1 =35kΩ， R2 =30kΩ， R =50kΩ且 C = 0.01uF 。計算振蕩的電路頻率。

然后振蕩頻率計算為 1kHz 。當(dāng)β= 0.462 時，該頻率可以直接計算為：?= 1 / 2RC 。此外，當(dāng)兩個反饋電阻相同時，即 R1 = R2 ，反饋分?jǐn)?shù)等于3，振蕩頻率變?yōu)椋?= 1 / 2.2RC 。

我們可以通過用電位計替換其中一個反饋電阻來進(jìn)一步采用這個運算放大器多諧振蕩器電路，以生成如圖所示的可變頻率運算放大器多諧振蕩器。

變量運算放大器多諧振蕩器

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通過調(diào)節(jié)β1和β2輸出頻率將改變以下數(shù)量。

電位器刮水器β1

電位器刮水器β2

然后在這個簡單例如，我們可以生產(chǎn)一個運算放大器多諧振蕩器電路，它可以通過改變 RC 元件值，產(chǎn)生100Hz至1.2kHz的可變輸出矩形波形，或者我們要求的任何頻率范圍。

我們有從上面可以看出，運算放大器多諧振蕩器電路可以使用標(biāo)準(zhǔn)運算放大器（例如741）和一些附加組件構(gòu)建。這些電壓控制的非正弦弛豫振蕩器通常限制在幾百赫茲（kHz），因為運算放大器沒有所需的帶寬，但仍然可以制造出優(yōu)秀的振蕩器。