연산 증폭기 멀티바이브레이터

연산 증폭기 멀티바이브레이터

연산 증폭기 멀티바이브레이터는 RC 피드백 네트워크의 도움으로 자체 입력 신호를 생성하는 비반전 연산 증폭기 회로입니다.

연산 증폭기(Operational Amplifier ) ​​또는 줄여서 연산 증폭기 (Op-amp) 는 전압 증폭기부터 필터, 신호 조절기에 이르기까지 다양한 전자 회로 및 애플리케이션에 사용할 수 있는 매우 다재다능한 장치입니다. 그러나 범용 연산 증폭기를 기반으로 하는 매우 간단하고 매우 유용한 연산 증폭기 회로 중 하나는 Astable Op-amp Multivibrator입니다.

우리는 순차 논리에 대한 튜토리얼에서 멀티바이브레이터 회로가 트랜지스터, 논리 게이트 또는 NE555 타이머와 같은 전용 칩을 사용하여 구성될 수 있다는 것을 보았습니다. 우리는 또한 외부 트리거링 없이도 불안정한 멀티바이브레이터가 두 개의 불안정한 상태 사이를 지속적으로 전환한다는 것을 확인했습니다.

그러나 불안정한 멀티바이브레이터 회로를 생성하기 위해 이러한 구성 요소를 사용할 때의 문제는 트랜지스터 기반의 불안정한 구성 요소의 경우 많은 추가 구성 요소가 필요하고 디지털 astable은 일반적으로 디지털 회로에서만 사용할 수 있으며 555 타이머를 사용하면 항상 우리에게 제공되지 않을 수 있다는 것입니다. 추가 바이어스 구성요소 없이 대칭 출력. 그러나 연산 증폭기 멀티바이브레이터 회로는 단 4개의 구성 요소, 3개의 저항기 및 타이밍 커패시터를 사용하여 우수한 직사각형파 신호를 제공할 수 있습니다.

연산 증폭기 멀티바이브레이터 는 연산 증폭기의 반전 입력에 연결된 RC 타이밍 네트워크와 다른 비반전 입력에 연결된 전압 분배기 네트워크를 사용하여 직사각형 출력 파형을 생성하는 불안정한 발진기 회로입니다.

 

단안정 또는 쌍안정과 달리 비안정 멀티바이브레이터는 두 가지 상태를 가지는데, 두 상태 중 어느 것도 안정적이지 않습니다. 각 상태에서 소요되는 시간은 저항기를 통한 커패시터의 충전 또는 방전에 의해 제어되므로 이 두 상태 사이를 지속적으로 전환하기 때문입니다.

연산 증폭기 멀티바이브레이터 회로에서 연산 증폭기는 아날로그 비교기로 작동합니다. 연산 증폭기 비교기는 두 입력의 전압을 비교하고 입력이 기준 값 V REF 보다 크거나 작은지에 따라 양 또는 음의 출력을 제공합니다 .

그러나 개방 루프 연산 증폭기 비교기는 입력의 전압 변화에 매우 민감하기 때문에 입력 전압이 0이 될 때마다 출력은 양극, +V(sat) 및 음극, -V(sat) 공급 레일 사이에서 제어할 수 없게 전환될 수 있습니다. 측정되는 전압은 기준 전압 V REF 에 가깝습니다 .

불규칙하거나 제어되지 않는 스위칭 동작을 제거하기 위해 멀티바이브레이터 회로에 사용되는 연산 증폭기는 폐쇄 루프 슈미트 트리거 회로로 구성됩니다. 아래 회로를 고려하십시오.

연산 증폭기 슈미트 비교기

 

위의 연산 증폭기 비교기 회로는 저항 R1 및 R2 에서 제공되는 포지티브 피드백을 사용하여 히스테리시스를 생성하는 슈미트 트리거로 구성됩니다. 이 저항 네트워크는 증폭기 출력과 비반전(+) 입력 사이에 연결되므로 Vout 이 양극 공급 레일에서 포화되면 연산 증폭기 비반전 입력에 양극 전압이 적용됩니다. 마찬가지로, Vout이 음극 공급 레일로 포화되면 연산 증폭기 비반전 입력에 음극 전압이 적용됩니다.

두 개의 저항이 연산 증폭기 출력 전체에 걸쳐 전압 분배기 네트워크로 구성되므로 기준 전압 Vref는 비반전 입력으로 피드백되는 출력 전압의 비율에 따라 달라집니다. 이 피드백 부분 β는 다음과 같이 제공됩니다.

 

여기서 +V(sat) 는 양의 연산 증폭기 DC 포화 전압이고 -V(sat) 는 음의 연산 증폭기 DC 포화 전압입니다.

그런 다음 양수 또는 상위 기준 전압 +Vref (즉, 반전 입력의 전압에 대한 최대 양수 값)는 다음과 같이 주어진다는 것을 알 수 있습니다 . +Vref = +V(sat)β 반면 음수 또는 하위 기준 전압(즉, 반전 입력의 전압에 대한 최대 음수 값)은 -Vref = -V(sat)β 로 지정됩니다 .

따라서 Vin이 +Vref를 초과하면 연산 증폭기는 상태를 전환하고 출력 전압은 음의 DC 포화 전압으로 떨어집니다. 마찬가지로 입력 전압이 -Vref 아래로 떨어지면 연산 증폭기는 상태를 다시 한 번 전환하고 출력 전압은 음의 포화 전압에서 다시 양의 DC 포화 전압으로 전환됩니다. 두 포화 전압 사이를 전환할 때 슈미트 비교기에 의해 제공되는 내장 히스테리시스의 양은 두 트리거 기준 전압 간의 차이에 의해 다음과 같이 정의됩니다. V HYSTERESIS  = +Vref – (-Vref) .

정현파에서 직사각형으로의 변환

연산 증폭기 멀티바이브레이터 이외의 슈미트 트리거 비교기의 다양한 용도 중 하나는 정현파의 값이 전압 기준점보다 큰 경우 주기적인 정현파 파형을 직사각형 파형으로 변환하는 데 사용할 수 있다는 것입니다.

 

실제로 슈미트 비교기는 입력 신호 파형과 관계없이 항상 직사각형 출력 파형을 생성합니다. 즉, 전압 입력은 정현파일 필요는 없으며 임의의 파형 또는 복잡한 파형일 수 있습니다. 아래 회로를 고려하십시오.

정현파를 직사각형으로 변환기

 

입력 파형은 주기적이고 기준 전압 Vref 보다 충분히 큰 진폭을 갖기 때문에 출력 직사각형 파형은 항상 입력 파형과 동일한 주기 T 와 주파수 f 를 갖습니다.

저항 R1 또는 R2를 전위차계로 교체함으로써 피드백 비율 β 를 조정할 수 있으므로 비반전 입력의 기준 전압 값을 조정하여 연산 증폭기가 각 반주기의 0에서 90o 사이에서 상태를 변경하도록 할 수 있습니다. 기준 전압인 동안 Vref는 입력 신호의 최대 진폭 미만으로 유지되었습니다.

연산 증폭기 멀티바이브레이터

정현파 입력을 연산 증폭기 출력에 연결된 RC 타이밍 회로로 교체하여 주기적인 파형을 직사각형 출력으로 한 단계 더 변환하는 아이디어를 취할 수 있습니다. 이번에는 연산 증폭기를 트리거하는 데 사용되는 정현파 대신 커패시터 충전 전압 Vc를 사용하여 그림과 같이 연산 증폭기의 출력 상태를 변경할 수 있습니다.

연산 증폭기 멀티바이브레이터 회로

 

그렇다면 어떻게 작동합니까? 먼저 커패시터가 완전히 방전되고 연산 증폭기의 출력이 양극 공급 레일에서 포화되었다고 가정해 보겠습니다. 커패시터 C는 출력 전압 Vout 에서 저항 R을 통해 RC 시간 상수 에 의해 결정되는 속도로 충전되기 시작합니다 .

우리는 RC 회로에 대한 튜토리얼을 통해 커패시터가 5개의 시간 상수 내에서 Vout ( +V(sat) ) 값까지 완전히 충전되기를 원한다는 것을 알고 있습니다 . 그러나 연산 증폭기 반전(-) 단자의 커패시터 충전 전압이 비반전 단자의 전압(저항 R1 과 R2 사이에 나누어진 연산 증폭기 출력 전압 비율 ) 보다 크거나 같으면 즉시 출력은 상태를 변경하고 반대편 네거티브 공급 레일로 구동됩니다.

그러나 양극 공급 레일( +V(sat) ) 을 향해 충전 중이었던 커패시터는 이제 플레이트 전체에서 음극 전압 -V(sat)을 확인합니다. 이러한 출력 전압의 갑작스러운 반전으로 인해 커패시터는 RC 시간 상수 에 의해 다시 지정된 속도로 새로운 Vout 값을 향해 방전됩니다 .

연산 증폭기 멀티바이브레이터 전압

 

연산 증폭기 반전 단자가 비반전 단자에서 새로운 음의 기준 전압 -Vref 에 도달하면 연산 증폭기는 다시 한 번 상태를 변경하고 출력은 반대 공급 레일 전압 +V(sat) 로 구동됩니다 . 이제 커패시터는 플레이트 전체에 양의 전압을 확인하고 충전 사이클이 다시 시작됩니다. 따라서 커패시터는 지속적으로 충전 및 방전되어 불안정한 연산 증폭기 멀티바이브레이터 출력을 생성합니다.

출력 파형의 주기는 두 타이밍 구성 요소의 RC 시간 상수와 기준 전압 레벨을 설정하는 R1, R2 전압 분배기 네트워크 에 의해 설정된 피드백 비율에 의해 결정됩니다. 증폭기 포화 전압의 양수 값과 음수 값이 동일한 크기를 갖는 경우 t1 = t2 이고 진동 주기를 제공하는 표현식은 다음과 같습니다.

 

여기서: R은 저항, C는 커패시턴스, ln( )은 피드백 분수의 자연 로그, T는 초 단위의 주기 시간, θ는 발진 주파수(Hz)입니다.

그런 다음 위의 방정식을 통해 연산 증폭기 멀티바이브레이터 회로의 발진 주파수가 RC 시상수뿐만 아니라 피드백 비율에도 의존한다는 것을 알 수 있습니다 . 그러나 0.462 ( β = 0.462 ) 의 피드백 비율을 제공하는 저항 값을 사용하면 선형 로그 항이 1과 같기 때문에 회로의 발진 주파수는 표시된 대로 1/2RC와 같습니다.

연산 증폭기 멀티바이브레이터 예제 No1

연산 증폭기 멀티바이브레이터 회로는 다음 구성 요소를 사용하여 구성됩니다. R1 = 35kΩ , R2 = 30kΩ , R = 50kΩ 및 C = 0.01uF . 회로의 진동 주파수를 계산합니다.

 

 

그러면 진동 주파수는 1kHz 로 계산됩니다 . β = 0.462 일 때 이 주파수는 다음과 같이 직접 계산할 수 있습니다. θ = 1/2RC . 또한 두 개의 피드백 저항이 동일할 때, 즉 R1 = R2 이면 피드백 비율은 3과 같고 발진 주파수는 f = 1/2.2RC 가 됩니다 .

그림과 같이 가변 주파수 연산 증폭기 멀티바이브레이터를 생성하기 위해 피드백 저항 중 하나를 전위차계로 교체하여 이 연산 증폭기 멀티바이브레이터 회로를 한 단계 더 발전시킬 수 있습니다.

가변 연산 증폭기 멀티바이브레이터

 

β1 과 β2 사이의 중앙 전위차계를 조정하면 출력 주파수가 다음 양만큼 변경됩니다.

β1 의 전위차계 와이퍼

β2 의 전위차계 와이퍼

 

그런 다음 이 간단한 예에서는 100Hz에서 1.2kHz까지의 가변 출력 직사각형 파형 또는 RC 구성 요소 값을 변경하여 필요한 모든 주파수 범위를 생성할 수 있는 연산 증폭기 멀티바이브레이터 회로를 생성할 수 있습니다 .

위에서 우리는 741과 같은 표준 연산 증폭기와 몇 가지 추가 구성 요소를 사용하여 연산 증폭기 멀티바이브레이터 회로를 구성할 수 있음 을 확인했습니다 . 이러한 전압 제어 비정현파 완화 발진기는 연산 증폭기에 필요한 대역폭이 없기 때문에 일반적으로 수백 kHz로 제한되지만 그럼에도 불구하고 여전히 뛰어난 발진기를 만듭니다.