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  • 運(yùn)算放大器單穩(wěn)態(tài)電路解析
    • 發(fā)布時(shí)間:2022-10-15 16:58:50
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    運(yùn)算放大器單穩(wěn)態(tài)電路解析
    基本運(yùn)算放大器單穩(wěn)態(tài)電路
    運(yùn)算放大器 單穩(wěn)態(tài)電路
    在初始上電時(shí)(即t = 0),輸出(V OUT)將向正電源軌(+ Vcc)或向負(fù)電源軌(-Vcc)飽和,因?yàn)檫@是允許的唯一兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)算放大器。現(xiàn)在讓我們假設(shè)輸出已經(jīng)朝著正電源軌+ Vcc擺動(dòng)。然后,同相輸入端的電壓V B將等于+ Vcc *β,其中β是反饋分?jǐn)?shù)。
    反相輸入保持在0.7伏,即二極管的正向壓降D 1,并由二極管鉗位至0v(接地),以防止其變?yōu)檎娢?。因此,V A處的電勢(shì)遠(yuǎn)小于V B處的電勢(shì),輸出保持穩(wěn)定在+ Vcc。同時(shí),電容器(C)充電至相同的0.7伏電位,并通過二極管的正向偏置電壓降保持在該處。
    如果我們向同相輸入施加負(fù)脈沖,則由于V B現(xiàn)在為負(fù),因此V A處的0.7v電壓現(xiàn)在變得大于V B處的電壓。因此,施密特(Schmitt)配置的運(yùn)算放大器的輸出切換狀態(tài),并向負(fù)電源軌-Vcc飽和。結(jié)果是,V B處的電勢(shì)現(xiàn)在等于-Vcc *β。
    這種暫時(shí)的亞穩(wěn)定狀態(tài)使電容器通過反饋電阻R從+0.7伏下降到也剛剛切換的飽和輸出-Vcc,以相反的方向按指數(shù)方向充電。二極管D 1變?yōu)榉聪蚱?,因此無效。電容器C將在時(shí)間常數(shù)τ= RC時(shí)放電。
    一旦V A處的電容器電壓達(dá)到與V B相同的電位,即-Vcc *β,運(yùn)算放大器便會(huì)切換回其原始的永久穩(wěn)定狀態(tài),而輸出又會(huì)再次達(dá)到+ Vcc飽和。
    請(qǐng)注意,一旦計(jì)時(shí)周期完成且運(yùn)算放大器的輸出變回其穩(wěn)定狀態(tài)并向正電源軌飽和,則電容器會(huì)嘗試以+ Vcc反向充電,但只能充電至0.7v的最大值由二極管給定的正向壓降。我們可以用圖形方式顯示此效果:
    運(yùn)算放大器單穩(wěn)態(tài)波形
    運(yùn)算放大器 單穩(wěn)態(tài)電路
    然后我們可以看到,負(fù)向觸發(fā)輸入將把運(yùn)放單穩(wěn)態(tài)電路切換到其臨時(shí)不穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過一段延時(shí)T之后,電容器C通過反饋電阻R充電,一旦電容器電壓達(dá)到所需的電勢(shì),電路便切換回其正常穩(wěn)定狀態(tài)。
    輸出的矩形脈沖的此延遲時(shí)間(T),即不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間為:
    運(yùn)算放大器單穩(wěn)態(tài)時(shí)序周期
    運(yùn)算放大器 單穩(wěn)態(tài)電路
    如果兩個(gè)運(yùn)算放大器的反饋電阻器具有相同的值,即:R 1  = R 2,那么上式也可以簡化為:
    運(yùn)算放大器 單穩(wěn)態(tài)電路
    顯然,電容器需要一段時(shí)間才能從-Vcc *β再次充電至V D(0.7v),因此在此期間,第二個(gè)負(fù)脈沖可能不會(huì)啟動(dòng)新的計(jì)時(shí)周期。
    然后,為了確保在施加下一個(gè)觸發(fā)脈沖時(shí)運(yùn)放單穩(wěn)態(tài)電路正確運(yùn)行,觸發(fā)脈沖之間的時(shí)間間隔(T total)必須大于時(shí)序時(shí)間T加上觸發(fā)脈沖所需的時(shí)間。電容器充電,(T充電)。
    充電恢復(fù)時(shí)間為:
    運(yùn)算放大器 單穩(wěn)態(tài)電路
    其中:Vcc是電源電壓,V D是二極管的正向壓降(通常約為0.6至0.7伏),β是反饋分?jǐn)?shù)。
    為了確保運(yùn)算放大器單穩(wěn)態(tài)電路具有良好的負(fù)觸發(fā)信號(hào),該信號(hào)在負(fù)向脈沖的上升沿開始計(jì)時(shí)周期,并且在電路處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)也可以停止對(duì)電路的任何錯(cuò)誤觸發(fā),我們可以在輸入端添加一個(gè)RC差分電路。
    微分器電路可用于根據(jù)方形或矩形輸入波形產(chǎn)生負(fù)輸出尖峰。比較器的閾值電壓急劇下降到其反饋分?jǐn)?shù)以下,β值將運(yùn)放單穩(wěn)態(tài)帶入其定時(shí)周期。微分器電路是使用電阻器電容器(如所示的RC網(wǎng)絡(luò))形成的。
    RC微分電路
    運(yùn)算放大器 單穩(wěn)態(tài)電路
    上面的基本微分電路使用另一個(gè)電阻器(RC)網(wǎng)絡(luò),其輸出電壓是輸入電壓相對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。當(dāng)輸入電壓從0變?yōu)?Vcc時(shí),電容器開始指數(shù)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跳升至-Vcc,從而產(chǎn)生負(fù)尖峰,然后隨著電容器充電而呈指數(shù)衰減。
    通常,對(duì)于RC微分電路,負(fù)尖峰的峰值大約等于觸發(fā)波形的幅度。同樣,作為一般的經(jīng)驗(yàn)法則,為了使RC微分電路產(chǎn)生良好的尖銳窄尖峰,時(shí)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(shí)間常數(shù)應(yīng)小于1 ms(10%)。
    使用微分器電路的優(yōu)勢(shì)在于,任何恒定的直流電壓或緩慢變化的信號(hào)都將被阻塞,從而僅允許快速變化的觸發(fā)脈沖來啟動(dòng)單穩(wěn)態(tài)時(shí)序周期。二極管D確保到達(dá)運(yùn)算放大器同相輸入的觸發(fā)脈沖始終為負(fù)。
    將RC差分電路添加到基本運(yùn)算放大器單穩(wěn)態(tài)中可以得到:
    運(yùn)算放大器單穩(wěn)態(tài)電路
    運(yùn)算放大器 單穩(wěn)態(tài)電路
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