Генератор прямоугольных колебаний на основе одного ОУ. Расчетные соотношения, достоинства, недостатки.

Основными параметрами такого генератора являются: период (частота), длительность импульса и длительность паузы, или скважность (отношение длительности импульса к периоду). Простейшая схема генератора прямоугольных колебаний представлена на рис.1. В дальнейшем будем считать, если это не оговорено особо, что ОУ запитывается симметричным двухполярным напряжением , .

Рис.1. Генератор прямоугольных колебаний на основе ОУ

Из схемы видно, что ОУ имеет две обратные связи. Одна отрицательная – с выхода ОУ через резистор  на инвертирующий вход, другая – положительная – с выхода ОУ через резистор  на инвертирующий вход. Работает генератор следующим образом. После подачи напряжения питания на ОУ напряжение на инвертирующем входе  равно нулю, поскольку напряжение на конденсаторе  скачком измениться не может. Напряжение же на выходе ОУ в кратчайшее время (определяемое быстродействием ОУ) установится в одно из двух возможных значений: либо , либо , где  – максимальное выходное напряжение ОУ при заданном напряжении питания. Это произойдёт по причине несовершенства ОУ (наличия напряжения смещения, входных токов, шумов, неодновременности подачи питающего напряжения и пр.). Пусть, например, несовершенства ОУ таковы, что на выходе, после подачи напряжения питания, появилось небольшое положительное напряжение. Это приводит к тому, что часть этого напряжения через цепь положительной обратной связи (делитель , ) попадёт на неинвертирующий вход ОУ, в то время как напряжение на инвертирующем входе остаётся равным нулю ( ). Отмеченное обстоятельство вызовет дополнительное увеличение выходного напряжения, которое снова попадает на неинвертирующий вход через цепь положительной обратной связи. Таким образом, развивается лавинообразный процесс увеличения выходного напряжения ОУ до напряжения . После этого, через резистор  начнёт заряжаться конденсатор , напряжение на котором будет стремиться достигнуть уровня . Это будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе не превысит напряжение на неинвертирующем входе. После чего, выходное напряжение ОУ поменяет полярность. Вместо  установится напряжение . Процесс переключения произойдёт лавинообразно (т. е. максимально быстро для данного типа ОУ). В результате под действием  конденсатор  начнёт перезаряжаться, пытаясь зарядиться до напряжения . Однако, после того, как напряжение на инвертирующем входе станет меньше, чем напряжение на неинвертирующем входе, выходное напряжение ОУ снова изменит свой знак и станет равным .

Временные диаграммы, поясняющие описанное выше, представлены на рис.2.

Рис.2. Временные диаграммы, поясняющие работу генератора прямоугольных колебаний

Из рис.2 видно, что на выходе ОУ формируются колебания прямоугольной формы с амплитудой . При выводе количественных соотношений положим, что , а коэффициент делителя, обеспечивающего положительную обратную связь, . Для нахождения интервала времени , где Т ­ период колебаний, можно записать

,

где , .

Разрешая это уравнения относительно , можно получить

, или .

Положим, что , тогда период колебаний Т равен (с точностью ):

.

Таким образом, период колебаний определяется удвоенной постоянной времени цепи заряда конденсатора , .

При симметричности значений  и , период колебаний не зависит от напряжения питания ОУ.