Положительная обратная связь обычно используется в различных генераторах.
Генераторы колебаний прямоугольной формы
На рис. П6 предлагается принципиальная схема генератора прямоугольных импульсов, собранная на операционном усилителе. Генератор работает как автоколебательный ключ, который поочередно переключает выход от одного уровня постоянного напряжения питания к другому, без применения какого-либо внешнего запускающего сигнала.
Рис. П6. Принципиальная схема простого генератора прямоугольных импульсов
В этой схеме, называемой также автоколебательным мультивибратором, в качестве переключающего устройства используется операционный усилитель, а положительная обратная связь осуществляется путем подачи выходного напряжения Uвых на неинвертирующий вход с помощью делителя R1, R2.
При сравнительно небольшой частоте повторения, не превышающей 100 кГц, фронты импульсов практически оказываются вертикальными, так как их длительность определяется скоростью нарастания операционного усилителя. На более высоких частотах форма фронтов становится заметно экспоненциальной, как показано сплошной линией на рис. П7.
Рис. П7. Эпюры напряжений в схеме генератора: на выходе (сплошная линия) и на конденсаторе (штриховая линия)
Период повторения Т выражается формулой
где RC — постоянная времени, равная в рассматриваемой схеме R3xC1.
Конденсатор С1 и резистор R3 образуют цепь задержки сигнала, поступающего с выхода ОУ на инвертирующий вход. Когда потенциал выхода оказывается равным +U, через резистор R3 начинает заряжаться конденсатор С1. Этот процесс длится до тех пор, пока потенциал инвертирующего входа не увеличится до потенциала неинвертирующего входа. В этот момент схема опрокидывается, и потенциал выхода становится равным — U. Начинается перезаряд конденсатора до нового уровня неинвертирующего входа, когда схема вновь опрокидывается. Напряжение на конденсаторе показано на рис. П7 штриховой линией.
Если абсолютные значения напряжений +U и — U равны, длительность положительной полуволны оказывается равна длительности отрицательной. Это связано с тем, что обе полуволны в этой схеме определяются одной и той же постоянной времени. Такая форма колебаний называется меандром.
Импульсы в форме меандра обладают скважностью, равной двум. Скважностью называется отношение периода повторения к длительности импульсов. Поэтому минимально возможное значение скважности равно двум. Обязательное условие опрокидывания схемы, что соответствует ее работе в качестве генератора, состоит в том, что общий коэффициент усиления по напряжению этой схемы должен превышать единицу.
Другим генератором прямоугольных колебаний является одновибратор или ждущий мультивибратор, использующий положительную обратную связь и имеющий только одно устойчивое состояние. Из этого состояния одновибратор выводится внешним запускающим импульсом и в течение некоторого заданного времени является возбужденным, после чего возвращается в устойчивое состояние. Основная схема одновибратора, использующего операционный усилитель, показана на рис. П8.
Рис. П8. Схема одновибратора на операционном усилителе
В этой схеме положительная обратная связь с выхода операционного усилителя на неинвертирующий вход подается через конденсатор С2, заряд и разряд которого задают параметры возбужденного состояния. Рассмотрим работу схемы по эпюрам рабочих напряжений, приведенным на рис. П9.
Рис. П9. Эпюры рабочих напряжений одновибратора
В связи с подачей на инвертирующий вход через резистор R1 отрицательного напряжения — Uоп, выходное напряжение Uвых в устойчивом состоянии положительно и равно напряжению питания +U. При подаче на вход схемы импульса запуска (осциллограмма 1) он дифференцируется элементами C1-R1 и положительным импульсом переднего фронта запуска (осциллограмма 2) операционный усилитель перебрасывается в другое состояние, в результате чего выходное напряжение скачком переходит на уровень — U (осциллограмма 4). Отрицательный перепад выходного напряжения через конденсатор С2 подается на неинвертирующий вход, поддерживая на выходе уровень — U. Начинается заряд конденсатора С2 через резистор R2. При этом ток заряда постепенно уменьшается и также уменьшается падение напряжения на резисторе R2 (осциллограмма 3). Выходное напряжение остается на уровне —U до тех пор, пока потенциал неинвертирующего входа не достигнет — Uоп. Тогда схема вернется в исходное устойчивое состояние до следующего запускающего импульса. Длительность генерируемого одновибратором импульса Т определяется выражением