Amplificator operațional sau A.O. pe scurt, este un dispozitiv foarte versatil, care poate fi utilizat într-o varietate de diferite circuite electronice și aplicații, de la amplificatoare de tensiune, la filtre, la condiționatoare de semnal. Dar un circuit A.O. foarte simplu și extrem de util, bazat pe un A.O. cu scop general este multivibratorul astabil.

Am văzut că circuitele multivibrator pot fi construite folosind tranzistoare, porți logice sau cipuri dedicate cum ar fi NE555 Timer. De asemenea, am văzut că multivibratorul astabil comută continuu între cele două stări instabile, fără a fi nevoie de nici o declanșare externă.

Dar problema cu utilizarea acestor componente pentru a produce un circuit multivibrator astabil este faptul că pentru astabilul bazat pe tranzistor sunt necesare multe componente suplimentare, astabilul digital poate fi utilizat în general numai în circuitele digitale și utilizarea unui 555 Timer nu ne dă întotdeauna ieșire simetrică fără componente polarizate suplimentar. Totuși, circuitul A.O. multivibrator poate realiza un semnal bun de undă dreptunghiulară cu ajutorul a doar patru componente, trei rezistoare și un condensator de temporizare.

A.O. multivibrator este un circuit oscilator astabil care generează o formă de undă de ieșire dreptunghiulară, folosind o rețea de temporizare RC conectată la intrarea inversoare a A.O. și o rețea divizor de tensiune conectată la intrarea ne-inversoare.

Spre deosebire de monostabile sau bistabile, multivibratorul astabil are două stări, nici una dintre ele nefiind stabilă, deoarece comută constant între aceste două stări cu timpul petrecut în fiecare stare controlat prin încărcarea sau descărcarea condensatorului printr-un rezistor.

În circuitul A.O. multivibrator, A.O. funcționează ca un comparator analogic. Un A.O. comparator compară tensiunile pe cele două intrări și dă o ieșire pozitivă sau negativă, în funcție de faptul dacă intrarea este mai mare sau mai mică decât o anumită valoare de referință, VREF.

Dar, deoarece A.O. comparator în buclă deschisă este foarte sensibil la variațiile de tensiune de pe intrările sale, ieșirea poate comuta necontrolat între șinele sale de alimentare pozitivă +V (sat) și negativă, -V (sat) ori de câte ori tensiunea de intrare de măsurat este aproape de tensiunea de referință, VREF.

Pentru a elimina orice operațiuni de comutare neregulate sau necontrolate, A.O. utilizat în circuitul multivibrator este configurat ca circuit Trigger-Schmitt în buclă închisă. Luați în considerare circuitul de mai jos.

A.O. comparator Schmitt

Circuitul A.O. comparator de mai sus este configurat ca un Trigger-Schmitt care utilizează feedback-ul pozitiv furnizat de rezistoarele R1 și R2 pentru a genera histerezis. Deoarece această rețea rezistivă este conectată între ieșirea amplificatorului și intrarea ne-inversoare (+), atunci când Vout este saturată la șina de alimentare pozitivă, se aplică o tensiune pozitivă la intrarea ne-inversoare a A.O. De asemenea, atunci când Vout este saturată la șina de alimentare negativă, se aplică o tensiune negativă la intrarea ne-inversoare.

Deoarece cele două rezistoare sunt configurate pe ieșirea A.O. ca rețea divizoare de tensiune, tensiunea de referință Vref va fi, prin urmare, dependentă de fracțiunea din tensiune de ieșire trimisă înapoi la intrarea neinversoare. Această fracție de feedback β este dată de:

unde +V (sat) este tensiunea de saturație DC pozitivă a A.O. și -V (sat) este tensiunea de saturație DC a A.O. negativă.

Atunci, putem observa că tensiunea de referință pozitivă sau superioară +Vref (adică valoarea maximă pozitivă pentru tensiune la intrarea inversoare) este dată de: +Vref = +V(sat)β în timp ce tensiunea de referință negativă sau inferioară (valoarea maximă negativă pentru tensiune la intrarea inversoare) este dată de: -Vref = -V(sat)β.

Deci, dacă Vin depășește +Vref, A.O. comută starea și tensiunea de ieșire cade la tensiunea de saturație DC negativă. De asemenea, atunci când tensiunea de intrare scade sub -Vref, A.O. comută încă o dată și tensiunea de ieșire va trece de la tensiunea de saturație negativă la tensiunea de saturație DC pozitivă. Cantitatea de histerezis încorporat dată de comparatorul Schmitt, deoarece comută între cele două tensiuni de saturație, este definită de diferența dintre cele două tensiuni de referință de declanșare: VHYSTERESIS = + Vref - (-Vref).

Conversia sinusoidală - dreptunghiulară

Una dintre multele utilizări ale unui comparator Trigger-Schmitt, alta decât un A.O. multivibrator, este că îl putem folosi pentru a transforma orice formă de undă sinusoidală periodică într-o formă de undă dreptunghiulară, când valoarea sinusoidei este mai mare decât punctul de referință al tensiunii.

De fapt, comparatorul Schmitt va produce întotdeauna o formă de undă rectangulară independentă de forma de undă a semnalului de intrare. Cu alte cuvinte, intrarea tensiunii nu trebuie să fie sinusoidă, ar putea fi orice formă de undă sau formă de undă complexă. Luați în considerare circuitul de mai jos.

Convertor sinusoidal-dreptunghiular

Deoarece forma de undă de intrare va fi periodică și va avea o amplitudine suficient mai mare decât tensiunea de referință Vref, forma de undă de ieșire dreptunghiulară va avea întotdeauna aceeași perioadă T și, deci, frecvență ƒ ca forma de undă de intrare.

Prin înlocuirea rezistorului R1 sau R2 cu un potențiometru am putea regla fracția de feedback β și, deci, valoarea tensiunii de referință la intrarea neinversoare pentru a determina A.O. să schimbe starea oriunde de la zero la 90⁰ din fiecare alternanță, atât timp cât tensiunea de referință Vref a rămas sub amplitudinea maximă a semnalului de intrare.

A.O. multivibrator

Putem lua această idee de a transforma o formă de undă periodică într-o ieșire dreptunghiulară cu un pas mai departe, prin înlocuirea intrării sinusoidale cu un circuit de temporizare RC conectat pe ieșirea A.O. De data aceasta, în loc să se utilizeze o formă de undă sinusoidală pentru declanșarea A.O., putem folosi tensiunea de încărcare a condensatorului Vc, pentru a schimba starea de ieșire a A.O., așa cum este arătat.

Circuit A.O. multivibrator

Deci, cum funcționează. În primul rând, presupunem că condensatorul este complet descărcat și că ieșirea A.O. este saturată la șina de alimentare pozitivă. Condensatorul C începe să se încarce de la tensiunea de ieșire Vout prin rezistorul R la o rată determinată de constanta lor de timp RC.

Știm că un condensator vrea să se încarce complet la valoarea Vout (care este +V(sat)) în cinci constante de timp. Dar imediat ce tensiunea de încărcare a condensatorului la terminalul inversor (-) al A.O. este egală sau mai mare decât tensiunea la terminalul neinversor (fracțiunea tensiunii de ieșire împărțită între rezistoarele R1 și R2), ieșirea va schimba starea și va fi condusă la șina de alimentare negativă.

Dar condensatorul, care a fost încărcat spre (+V(sat)), vede acum o tensiune negativă -V(sat) pe plăcile sale. Această inversare bruscă a tensiunii de ieșire determină descărcarea condensatorului spre noua valoare a Vout la o rată dictată din nou de constanta lor de timp RC.

Tensiunile A.O. multivibrator

Odată ce terminalul inversor al A.O. atinge noua tensiune de referință negativă (-Vref) de la borna neinversoare, A.O. schimbă din nou starea și ieșirea este condusă la tensiunea șinei de alimentare opusă +V(sat). Condensatorul are acum o tensiune pozitivă pe plăcile sale și ciclul de încărcare începe din nou. Astfel, condensatorul este încărcat și descărcat în mod constant, generând o ieșire de A.O multivibrator.

Perioada formei de undă de ieșire este determinată de constanta de timp RC a celor două componente de temporizare și de raportul de reacție stabilit de divizorul de tensiune R1, R2 care stabilește nivelul tensiunii de referință. Dacă valorile pozitive și negative ale tensiunii de saturație a amplificatorului au aceeași amplitudine, atunci t1 = t2 și expresia pentru a da perioada de oscilație devine:

Atunci, putem vedea din ecuația de mai sus că frecvența de oscilație pentru un circuit A.O. multivibrator depinde nu numai de constanta de timp RC, dar și de fracția de feedback. Dar, dacă am folosit valori ale rezistorului care au dat o fracțiune de feedback de 0,462, (β = 0,462), atunci frecvența de oscilație a circuitului ar fi egală doar cu 1/2RC așa cum se arată, deoarece termenul logaritm devine egal cu unu.

A.O. multivibrator. Exemplul nr. 1

Un circuit A.O. multivibrator este construit folosind următoarele componente. R1 = 35 kΩ, R2 = 30 kΩ, R = 50 kΩ și C = 0,01 μF. Calculați frecvența de oscilație a circuitului.

Atunci, frecvența de oscilație este calculată ca 1 kHz. Când β = 0,462, această frecvență poate fi calculată direct ca: ƒ = 1/2RC. De asemenea, atunci când cele două rezistoare de feedback sunt la fel, adică R1 = R2, fracția de feedback este egală cu 3 și frecvența de oscilație devine: ƒ = 1/2,2RC.

Putem lua acest circuit A.O. multivibrator cu un pas mai departe, prin înlocuirea unuia dintre rezistoarele de reacție cu un potențiometru pentru a produce un A.O. multivibrator cu frecvență variabilă, așa cum se arată.

A.O. multivibrator variabil

Prin reglarea potențiometrului central între β1 și β2, frecvența de ieșire se va schimba cu următoarele valori:

Cursor de potențiometru la β1

Cursor de potentiometru la β2

Atunci, în acest exemplu simplu, putem produce un circuit A.O. multivibrator care poate produce o formă de undă variabilă de ieșire dreptunghiulară de la 100 Hz la 1,2 kHz sau orice domeniu de frecvență de care avem nevoie doar prin schimbarea valorilor componentelor RC.

Am văzut mai sus că un circuit A.O. multivibrator poate fi construit folosind un A.O. standard, precum 741 și câteva componente suplimentare. Aceste oscilatoare de relaxare ne-sinusoidale controlate de tensiune sunt în general limitate la câteva sute de kiloherți (kHz), deoarece A.O. nu are lățimea de bandă necesară, dar totuși ele fac încă oscilatoare excelente.