運算放大器單穩(wěn)態(tài)電路比較及波形電路案例

運算放大器單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器是一種電子電路，在外部觸發(fā)時會產(chǎn)生單個定時矩形輸出脈沖。

可以使用分立元件或數(shù)字邏輯門輕松制作單穩(wěn)態(tài)電路，但單穩(wěn)態(tài)電路可以也可以使用運算放大器構(gòu)建。

運算放大器單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（單次多諧振蕩器）電路是正反饋（或再生）開關(guān)電路，只有一個穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生指定持續(xù)時間 T 的輸出脈沖。

外部觸發(fā)信號用于改變狀態(tài)，并在一段設(shè)定的時間后，以微秒，毫秒或秒為單位一個由RC分量確定的時間周期，單穩(wěn)態(tài)電路然后返回到其原始穩(wěn)定狀態(tài)，直到下一個觸發(fā)輸入信號到達為止。

基本單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器框圖如下：

運算放大器Monostable Block Diagr am

上面的框圖顯示了通過添加外部電阻構(gòu)建單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（ R ）和開關(guān)電路上的電容（ C ）?？梢允褂?a target="_blank">晶體管，數(shù)字邏輯門或通用運算放大器來制造開關(guān)電路。電阻 - 電容組合的時間常數(shù)τ決定了脈沖的長度， T 。

在本教程中，我們將構(gòu)建一個單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器使用具有正反饋路徑的運算放大器比較器電路的電路。由于反饋是正的，電路是再生的，即它增加了差分輸入信號。

運算放大器單穩(wěn)態(tài)電路

首先讓我們考慮反相放大器電路如圖所示。

在這種反相運算放大器配置中，一些輸出信號（稱為反饋分數(shù)）被反饋到通過電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)運算放大器的反相輸入。

在這種基本的反相配置中，反饋分數(shù)因此被反饋到反相輸入端是負的。輸出和反相輸入端之間的負反饋配置強制差分輸入電壓為零。

這種負反饋的結(jié)果是運算放大器產(chǎn)生放大的輸出信號，該信號與輸入信號的相位差為180 o 。因此，從輸出反饋的反相端電壓 -V 的增加會導(dǎo)致輸出電壓降低， V O 產(chǎn)生平衡

現(xiàn)在考慮使用相同的運算放大器電路，其中運算放大器的反相和非反相輸入已經(jīng)互換。也就是說，反饋信號反饋到同相輸入，反饋過程現(xiàn)在為正，產(chǎn)生一個內(nèi)置遲滯的基本運算放大器比較器電路。

運算放大器單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路圍繞運算放大器構(gòu)建，該運算放大器配置為閉環(huán)施密特觸發(fā)器電路，該電路使用電阻 R1 和 R2 提供的正反饋來產(chǎn)生所需的滯后。正反饋的使用意味著反饋是再生的，并提供所需的狀態(tài)依賴性，這實際上將運算放大器改變?yōu)殡p穩(wěn)態(tài)存儲器件。

考慮基本的運算放大器電壓比較器以下電路。

運算放大器施密特比較器

電阻網(wǎng)絡(luò)連接在運算放大器輸出和非反相（ + ）輸入之間。當(dāng) Vout 朝向正電源軌（+ Vcc）飽和時，相對于地的正電壓將施加到運算放大器的非反相輸入端。同樣，當(dāng) Vout 朝向負電源軌（-Vcc）飽和時，相對于地的負電壓將施加到運算放大器的非反相輸入端。

由于兩個電阻器以分壓器網(wǎng)絡(luò)的形式配置在輸出端，因此非反相輸入端的電壓 V B 將取決于輸出電壓的一部分由兩個電阻器的比率反饋。此反饋分數(shù)β的格式如下：

請注意，我們可以制作通過將電阻 R 1 和 R 2 替換為β變量的值電位器，其中電位器抽頭直接連接到運算放大器的非反相輸入，從而允許我們改變反饋分數(shù)。

由于滯后量與反饋分數(shù)的數(shù)量直接相關(guān)，因此最好避免構(gòu)造具有非常小的滯后（小β）的施密特觸發(fā)器運算放大器（再生比較器），因為這可能導(dǎo)致運算放大器在切換時在上下點之間振蕩。

如果我們現(xiàn)在在輸出和反相（ - ）輸入之間的施密特觸發(fā)器上放置反饋網(wǎng)絡(luò)，我們可以控制施密特所需的時間。運算放大器改變狀態(tài)。通過這樣做，運算放大器反相輸入的信號現(xiàn)在由運算放大器本身通過外部RC反饋網(wǎng)絡(luò)提供，如圖所示。

基本運算放大器單穩(wěn)態(tài)電路

初次上電時（即 t = 0 ），輸出（ V OUT ）將向正軌（ + Vcc ）飽和，或向負極飽和軌道（ -Vcc ），因為這是運算放大器允許的唯一兩個穩(wěn)定狀態(tài)。讓我們假設(shè)輸出已經(jīng)向正供電軌擺動， + Vcc 。然后，非反相輸入端的電壓 V B 將等于 + Vcc *β其中β是反饋分數(shù)。

反相輸入保持在0.7伏特，二極管的正向電壓降， D 1 并鉗位到0v（接地） ）通過二極管，防止它更積極。因此， V A 的電位遠小于 V B 時的電位，輸出在 + VCC 。同時，電容器（ C ）充電至相同的0.7伏電壓，并由二極管的正向偏壓保持在那里。

如果我們?nèi)绻麑⒇撁}沖施加到非反相輸入，則 V A 時的0.7v電壓現(xiàn)在變得大于 V B <的電壓 ，因為 V B 現(xiàn)在為負數(shù)。因此，施密特配置的運算放大器的輸出開關(guān)狀態(tài)并向負電源軌飽和， -Vcc 。結(jié)果是 V B 的電位現(xiàn)在等于 -Vcc *β。

這個暫時的元 - 穩(wěn)定狀態(tài)導(dǎo)致電容器通過反饋電阻器以相反方向指數(shù)地充電， R 從+0.7伏特下降到剛剛切換的飽和輸出， -Vcc 。二極管， D 1 變?yōu)榉聪蚱?，因此無效。電容 C 將以時間常數(shù)τ= RC 放電。

一旦電容器電壓 V A 達到與 V B 相同的電位，即 -Vcc *β，運算放大器切換回來到原來的永久穩(wěn)定狀態(tài)，輸出再次在 + Vcc 飽和。

注意，一旦定時周期結(jié)束，運算放大器輸出變回穩(wěn)定狀態(tài)并且朝向正電源軌飽和，電容器試圖反向充電到 + Vcc ，但只能充電到由二極管正向壓降給出的最大值0.7v。我們可以用圖形方式顯示這種效果：

運算放大器單穩(wěn)態(tài)波形

然后我們可以看到負向觸發(fā)輸入，將運算放大器單穩(wěn)態(tài)電路切換到臨時不穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過一段時間延遲， T ，而電容 C 通過反饋電阻 R 充電，電路切換回正常穩(wěn)定狀態(tài)一旦電容器電壓達到所需電位。

輸出矩形脈沖的這個時間延遲周期（ T ），即不穩(wěn)定狀態(tài)時間，給出如下：

運算放大器單穩(wěn)態(tài)定時周期

如果兩個運算放大器的反饋電阻具有相同的值，則為： R 1 = R 2 ，然后上面的等式也簡化了：

顯然有一定的時間電容器從 -Vcc *β再次充電到 V D （0.7v），因此在此期間第二個負脈沖可能無法啟動新的定時周期。

然后為了確保運算放大器單穩(wěn)態(tài)電路在應(yīng)用下一個觸發(fā)脈沖時的正確運行，觸發(fā)脈沖之間的時間間隔，（ T 總 ）必須大于定時周期 T 加上電容器充電所需的時間，（ T 充電 ）。

充電恢復(fù)時間如下：

其中： Vcc 是電源電壓， V D 是二極管正向壓降，（通常為ab）輸出為0.6到0.7伏特，β是反饋分數(shù)。

為了確保運算放大器單穩(wěn)態(tài)電路具有良好的負觸發(fā)信號，該信號開始于定時周期負向脈沖的前沿，以及當(dāng)電路處于穩(wěn)定狀態(tài)時停止任何誤觸發(fā)，我們可以在輸入端增加一個RC微分電路。

微分電路很有用從正方形或矩形輸入波形產(chǎn)生負輸出尖峰。比較器閾值電壓的急劇和突然降低低于其反饋分數(shù)β值，將運算放大器單穩(wěn)態(tài)驅(qū)動到其定時周期。使用電阻 - 電容（ RC 網(wǎng)絡(luò)）形成微分電路，如圖所示。

RC微分電路

上面的基本微分電路使用另一個電阻 - 電容（RC）網(wǎng)絡(luò)，其輸出電壓是輸入電壓相對于時間的導(dǎo)數(shù)。當(dāng)輸入電壓從0變?yōu)?Vcc時，電容開始以指數(shù)方式充電。由于電容器電壓 Vc 最初為零，因此微分器輸出電壓突然從0跳到-Vcc，產(chǎn)生負尖峰，然后隨著電容器充電而呈指數(shù)衰減。

對于RC微分電路，負尖峰的峰值近似等于觸發(fā)波形的幅度。此外，作為一般經(jīng)驗法則，對于RC微分電路產(chǎn)生良好的尖銳窄尖峰，時間常數(shù)（τ）應(yīng)至少比輸入脈沖寬度小十倍。因此，例如，如果輸入脈沖寬度為10 ms，則5RC時間常數(shù)應(yīng)小于1 ms（10％）。

使用微分電路的優(yōu)點是任何恒定的直流電壓或緩慢變化的信號將被阻擋，僅允許快速變化的觸發(fā)脈沖以啟動單穩(wěn)態(tài)定時周期。二極管， D 確保到達運算放大器非反相輸入的觸發(fā)脈沖始終為負。

將RC差分電路添加到基本運算放大器單穩(wěn)態(tài)中可得到：

運算放大器單穩(wěn)態(tài)電路

運算放大器單穩(wěn)態(tài)示例No1

An運算放大器單穩(wěn)態(tài)電路使用以下組件構(gòu)建。 R1 =30kΩ， R2 =30kΩ， R =150kΩ且 C = 1.0uF 。如果運算放大器單穩(wěn)態(tài)電源由±12V電源供電，定時周期以10ms脈沖啟動。

計算電路定時周期，電容器恢復(fù)時間，觸發(fā)脈沖與微分器網(wǎng)絡(luò)之間的總時間值。繪制完成的電路。

給出的數(shù)據(jù)： R1 = R2 =30kΩ， R =150kΩ， C = 1.0uF 脈沖寬度等于10毫秒，（10ms）。

1。時間段， T ：

2。電容恢復(fù)時間：

3。觸發(fā)脈沖之間的總時間：

4。輸入脈沖為10ms，因此負尖峰持續(xù)時間為1ms（10％）。如果我們假設(shè)電容值 0.1uF ，則微分器RC值計算如下：

這為我們的示例提供了最終的運算放大器單穩(wěn)態(tài)電路：

最終運算放大器單穩(wěn)態(tài)電路

我們在本教程中已經(jīng)看到，運算放大器Monostable電路可以使用通用運算放大器構(gòu)建，例如741，還有一些額外的組件。雖然使用分立元件，數(shù)字邏輯門或通用555 IC芯片構(gòu)建單穩(wěn)態(tài)（單觸發(fā)）電路可能更容易，但有時需要使用運算放大器構(gòu)建單穩(wěn)態(tài)電路用于模擬電路。

通過將運算放大器配置為具有正反饋的施密特觸發(fā)器，輸出脈沖的持續(xù)時間由RC定時電路的時間常數(shù)以及提供電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)的比率值決定。正反饋有助于使電路不穩(wěn)定。