Monostable Yükselteç (OPAMP) / Op-amp Monostable

Tek kararlı devreler, ayrık bileşenler veya dijital mantık kapıları kullanılarak kolayca yapılabilir ancak tek kararlı devreler, işlemsel yükselteçler kullanılarak da oluşturulabilir.

Op-amp Monostable Multivibrator (tek seferlik multivibratör) devreleri, belirli bir T süresine sahip bir çıkış darbesi üreten, yalnızca bir kararlı duruma sahip pozitif geri beslemeli (veya rejeneratif) anahtarlama devreleridir.

Durumunu değiştirmesi için harici bir tetikleme sinyali uygulanır ve mikrosaniye, milisaniye veya saniye cinsinden, RC bileşenleri tarafından belirlenen bir zaman periyodunda belirli bir süre sonra, monostable devre daha sonra orijinal kararlı durumuna geri döner. Sonraki tetik giriş sinyali gelene kadar kalır.

Temel tek kararlı multivibratör blok şeması şu şekilde verilir:

Op-amp Monostable Blok Şeması

Yukarıdaki blok diyagram, bir anahtarlama devresi boyunca harici bir direnç (R) ve kapasitör (C) eklenerek tek kararlı bir multivibratörün oluşturulduğunu göstermektedir. Anahtarlama devresi, transistörler, dijital mantık kapıları veya genel amaçlı işlemsel yükselteçler kullanılarak yapılabilir. Direnç-kapasitör kombinasyonunun zaman sabiti, τ darbenin uzunluğunu, T’yi belirler.

Bu derste, pozitif geri besleme yolu olan bir işlemsel yükselteç karşılaştırıcı devresi kullanarak tek kararlı bir multivibratör devresi oluşturacağız. Geri besleme pozitif olduğu için devre rejeneratiftir, yani diferansiyel giriş sinyaline eklenir.

Op-amp Monostable Devre

Öncelikle Inverting Amplifier devresini şekildeki gibi ele alalım.

Bu ters çeviren işlemsel yükselteç konfigürasyonunda, çıkış sinyalinin bir kısmı (geri besleme fraksiyonu olarak adlandırılır), dirençli ağ aracılığıyla işlemsel yükselticinin ters çeviren girişine geri beslenir.

Bu temel ters çevirme konfigürasyonunda, geri besleme fraksiyonu, ters çevirme girişine geri beslendiği için negatiftir. Çıkış ve ters çeviren giriş terminali arasındaki bu negatif geri besleme konfigürasyonu, diferansiyel giriş voltajını sıfıra doğru zorlar.

Bu negatif geri beslemenin sonucu, op-amp’in giriş sinyaliyle 180° faz dışı olan güçlendirilmiş bir çıkış sinyali üretmesidir. Böylece, ters çeviren terminal voltajındaki bir artış, çıkıştan geri beslenen -V, çıkış voltajında ​​bir azalmaya neden olur, VO, lineer bölgesinde çalışan dengeli ve kararlı bir amplifikatör üretir.

Şimdi, op-amp’in evirici ve evirici olmayan girişlerinin değiştirildiği aynı işlemsel yükselteç devresini düşünün. Yani geri besleme sinyali, ters çevirmeyen girişe geri beslenir ve geri besleme süreci artık pozitiftir ve yerleşik histerezisli temel bir op-amp karşılaştırıcı devresi üretir.

Op-amp monostable multivibratör devresi, gerekli histerezisi oluşturmak için R1 ve R2 dirençleri tarafından sağlanan pozitif geri beslemeyi kullanan kapalı döngü Schmitt Tetikleyici devresi olarak yapılandırılmış bir işlemsel yükseltici etrafında inşa edilmiştir. Pozitif geri beslemenin kullanılması, geri beslemenin yenileyici olduğu ve op-amp’i iki durumlu bir bellek cihazına dönüştüren gerekli durum bağımlılığını sağladığı anlamına gelir.

Aşağıdaki temel op-amp voltaj karşılaştırıcı devresini düşünün.

Op-amp Schmitt Karşılaştırıcı

Op-amp çıkışı ile ters çevirmeyen (+) giriş arasına dirençli bir ağ bağlanır. Vout pozitif besleme rayına (+Vcc) doygun hale geldiğinde, op-amp’lerin ters çevirmeyen girişine toprağa göre pozitif bir voltaj uygulanır. Benzer şekilde, Vout negatif besleme rayına (-Vcc) doyduğunda, op-amp’lerin ters çevirmeyen girişine toprağa göre bir negatif voltaj uygulanır.

İki direnç, çıkış boyunca bir voltaj bölücü ağ şeklinde yapılandırıldığından, evirmeyen girişte bulunan voltaj VB, iki direncin oranı tarafından geri beslenen çıkış voltajının fraksiyonuna bağlı olacaktır. Bu geri besleme kesri, β şu şekilde verilir:

R1 ve R2 dirençlerini potansiyometre silicisinin doğrudan op-amp’lerin ters çevirmeyen girişine bağlı olduğu bir potansiyometre ile değiştirerek β değişkeninin değerini yapabileceğimizi ve böylece geri besleme fraksiyonunu değiştirmemize izin verebileceğimizi unutmayın.

Histerezis miktarı doğrudan geri besleme fraksiyonunun miktarı ile ilgili olduğundan, çok küçük miktarlarda histerezis (küçük β) ile bir Schmitt tetikleyici op-amp (rejeneratif karşılaştırıcı) oluşturmaktan kaçınmak en iyisidir, çünkü bu op-amp ile sonuçlanabilir. geçiş yaparken üst ve alt noktalar arasında salınım.

Şimdi çıkış ve ters çeviren (-) giriş arasına Schmitt tetikleyicisine bir geri besleme ağı yerleştirirsek, Schmitt op-amp’inin durumunu değiştirmesi için geçen süreyi kontrol edebiliriz. Bunu yaparak, op-amp’lerin ters çevirme girişine giden sinyal, şimdi gösterildiği gibi harici RC geri besleme ağı aracılığıyla op-amp’in kendisi tarafından sağlanır.

Temel Op-amp Monostable Devre

İlk açılışta (yani t = 0), çıkış (VOUT) ya pozitif raya (+Vcc) ya da negatif raya (-Vcc) doygun olacaktır, çünkü bunlar sadece iki kararlı durumdur. op-amp. Şimdilik çıkışın pozitif besleme rayına, +Vcc’ye doğru döndüğünü varsayalım. Daha sonra, ters çevirmeyen girişteki voltaj VB, +Vcc*β’ye eşit olacaktır. Burada β geri besleme kesridir.

Ters çevirme girişi 0,7 voltta tutulur. Diyotun ileri volt düşüşü, D1 ve diyot tarafından 0v’a (toprak) sıkıştırılarak daha fazla pozitif gitmesini önler. Böylece VA’daki potansiyel VB’dekinden çok daha azdır ve çıkış +Vcc’de sabit kalır. Aynı zamanda, kapasitör (C), aynı 0,7 volt potansiyele kadar şarj olur ve diyotun ileri yönlü voltaj düşüşü tarafından orada tutulur.

Evirmeyen girişe negatif bir darbe uygularsak, VA’daki 0.7v voltaj şimdi VB’deki voltajdan daha büyük olur, çünkü VB artık negatiftir. Böylece Schmitt tarafından konfigüre edilmiş op-amp anahtarlarının çıktısı, negatif besleme rayına, -Vcc’ye doğru doygun hale gelir ve doygun hale gelir. Sonuç, VB’deki potansiyelin şimdi -Vcc*β’ye eşit olmasıdır.

Bu geçici meta-kararlı durum, kapasitörün geri besleme direnci aracılığıyla katlanarak ters yönde şarj olmasına neden olur, R +0.7 volttan az önce değiştirdiği doymuş çıkışa, -Vcc. Diyot, D1 ters taraflı hale gelir, bu nedenle etkisi yoktur. Kondansatör, C bir zaman sabiti τ = RC’de boşalacaktır.

VA’daki kapasitör voltajı VB ile aynı potansiyele, yani -Vcc*β’ye ulaşır ulaşmaz, op-amp, çıkış +Vcc’de bir kez daha doymuş olarak orijinal kalıcı kararlı durumuna geri döner.

Zamanlama periyodu tamamlandığında ve op-amp çıkışı kararlı durumuna geri döndüğünde ve pozitif besleme rayına doyduğunda, kondansatörün +Vcc’ye tersine şarj etmeye çalıştığını ancak yalnızca maksimum 0,7v değerine şarj edebileceğini unutmayın. diyotlar tarafından verilen ileri voltaj düşüşü. Bu etkiyi grafik olarak şu şekilde gösterebiliriz:

Op-amp Monostable Dalga Formları

Ardından, negatif giden bir tetik girişinin, op-amp monostable devresini geçici kararsız durumuna geçireceğini görebiliriz. Bir zaman gecikmesinden sonra, kapasitör C, geri besleme direnci R üzerinden şarj olurken, kapasitör voltajı gerekli potansiyele ulaştığında devre normal kararlı durumuna geri döner.

Kararsız durum zamanı olan çıkıştaki dikdörtgen darbenin bu gecikme süresi (T) şu şekilde verilir:

Op-amp Monostable Zamanlama Dönemi

İki işlemsel yükselteç geri besleme dirençleri aynı değerdeyse, yani: R1 = R2, o zaman yukarıdaki denklem de basitleşir:

Açıktır ki, kondansatörün -Vcc*β’den VD’ye (0,7v) yeniden şarj olması için gereken belirli bir süre vardır ve bu nedenle bu süre boyunca ikinci bir negatif darbe yeni bir zamanlama periyodu başlatmayabilir.

Daha sonra, bir sonraki tetik darbesinin uygulanması üzerine op-amp monostable devresinin doğru çalışmasını sağlamak için, tetik darbeleri arasındaki süre (Ttoplam), zamanlama süresinden, T artı kapasitör için gereken süreden daha büyük olmalıdır. şarj etmek, (Şarj).

Şarj kurtarma süresi şu şekilde verilir:

Burada: Vcc besleme voltajıdır, VD diyotların ileri voltaj düşüşüdür (genellikle yaklaşık 0,6 ila 0,7 volt) ve β geri besleme fraksiyonudur.

Op-amp monostable devresinin, negatif giden darbenin ön kenarında zamanlama periyodunu başlatan iyi bir negatif tetikleme sinyaline sahip olmasını sağlamak ve ayrıca kararlı durumdayken devrenin herhangi bir yanlış tetiklenmesini durdurmak için, girişe bir RC diferansiyel devresi ekleyebiliriz.

Bir farklılaştırıcı devre, bir kare veya dikdörtgen giriş dalga biçiminden bir negatif çıkış artışı üretmede yararlıdır. Karşılaştırıcı eşik voltajının geri besleme fraksiyonunun altına keskin ve ani düşüşü, β değeri, op-amp monostabilini zamanlama periyoduna iter. Bir direnç-kapasitör (gösterildiği gibi RC ağı) kullanılarak bir farklılaştırıcı devre oluşturulur.

RC Farklılaştırıcı Devre

Yukarıdaki temel farklılaştırıcı devre, çıkış voltajı giriş voltajının zamana göre türevi olan başka bir direnç-kapasitör (RC) ağı kullanır. Giriş voltajı 0’dan -Vcc’ye değiştiğinde, kapasitör katlanarak şarj olmaya başlar. Kondansatör voltajı Vc başlangıçta sıfır olduğundan, farklılaştırıcı çıkış voltajı aniden 0’dan -Vcc’ye atlar ve negatif bir yükselme oluşturur. Ardından kapasitör şarj olurken katlanarak azalır.

Genellikle bir RC farklılaştırıcı devresi için, negatif yükselmenin tepe değeri yaklaşık olarak tetikleyici dalga biçiminin büyüklüğüne eşittir. Ayrıca, genel bir genel kural olarak, bir RC farklılaştırıcı devresinin iyi keskin dar ani yükselmeler üretmesi için, zaman sabiti ( τ ), giriş darbe genişliğinden en az on kat daha küçük olmalıdır. Örneğin, giriş darbe genişliği 10 ms ise, 5RC zaman sabiti 1 ms’den (%10) az olmalıdır.

Farklılaştırıcı devre kullanmanın avantajı, herhangi bir sabit DC voltajının veya yavaş değişen sinyalin bloke edilmesi ve tek kararlı zamanlama periyodunu başlatmak için yalnızca hızla değişen tetik darbelerine izin vermesidir. Diyot, D, op-amp’lere ters çevirmeyen girişe gelen tetik darbesinin her zaman negatif olmasını sağlar.

RC diferansiyel devresini temel op-amp monostable’a eklemek şunları verir:

Op-amp Monostable Devre