シュミットトリガーコンパレータおよびオシレータ| AstableおよびBistableマルチバイブレータ| 重要な分析

この記事では、さまざまな関連パラメーターを使用して、シュミットトリガーコンパレータおよびオシレータ回路について詳しく説明します。 これまで見てきたように、オペアンプはさまざまなアプリケーション分野で使用されており、そのような用途の広いデバイスであるため、アナログ回路の一部としての重要性は計り知れません。 オペアンプの最も便利なアプリケーションのXNUMXつは、マルチバイブレータ回路としてです。 オペアンプ(オペアンプマルチバイブレータ)やコンデンサ、ダイオード、抵抗などのパッシブデバイスを使用して構築されたマルチバイブレータ回路の種類と動作について詳しく調べます。

Contents [show]

  • マルチバイブレータの紹介
  • マルチバイブレータでの正のフィードバックの使用
  • シュミットトリガーとは何ですか?
  • シュミットトリガーコンパレータ閉ループ回路または双安定マルチバイブレータ
  • 双安定マルチバイブレータの電圧伝達特性
  • 非安定マルチバイブレータまたはシュミットトリガーオシレータ
  • 発振器のデューティサイクル

マルチバイブレータとシュミットトリガー回路の導入

マルチバイブレータ回路はシーケンシャルロジック回路であり、作成方法に応じてさまざまなタイプがあります。 一部のマルチバイブレータはトランジスタと論理ゲートを使用して作成できますが、NE555タイマーなどのマルチバイブレータとして利用できる専用チップもあります。 オペアンプマルチバイブレータ回路には、動作に必要なコンポーネントがはるかに少なく、バイアスが少なく、比較的少ないコンポーネントを使用してより対称的な方形波信号を生成するため、他のマルチバイブレータ回路に比べていくつかの利点があります。

マルチバイブレータの種類

マルチバイブレータ回路には主にXNUMXつのタイプがあります。

  1. 非安定マルチバイブレータ、
  2. 単安定マルチバイブレーター
  3. 双安定マルチバイブレータ。

単安定マルチバイブレータは単一の安定状態を持ちますが、双安定マルチバイブレータが持つ安定状態の数は2です。

前のセクションでコンパレータとしてのオペアンプについて学習したように、開ループ構成では、入力電圧が近くになると、コンパレータは制御不能な方法で正の飽和電源レール電圧と負の飽和電源レール電圧を切り替えることができます。基準電圧のそれに印加されます。 したがって、XNUMXつの状態間のこの制御不可能なスイッチングを制御するために、オペアンプは、特に閉ループシュミットトリガー回路または双安定マルチバイブレーターとして知られるフィードバック構成(閉ループ回路)で使用されます。

マルチバイブレータとヒステリシス効果における正のフィードバックの使用

これまで、前のセクションでオペアンプの負帰還構成について学習しました。 正のフィードバックと呼ばれる別のタイプのフィードバック構成もあり、これは特定のアプリケーションにも使用されます。 正帰還構成では、出力電圧が反転(負)入力端子に接続されていた負帰還とは異なり、出力電圧は非反転(正)入力端子にフィードバック(接続)されます。

正のフィードバック構成で動作するオペアンプは、それが存在する特定の出力状態、つまり飽和した正または飽和した負の状態にとどまる傾向があります。 技術的には、XNUMXつの状態のいずれかでのこのラッチ動作はヒステリシスとして知られています。

コンパレータの入力印加信号がいくつかの追加の高調波またはスパイク(ノイズ)で構成されている場合、コンパレータの出力が予期せず制御不能にXNUMXつの飽和状態に切り替わる可能性があります。 この場合、適用された入力正弦波形の規則的な対称方形波出力は得られません。

ただし、コンパレータの入力信号に正のフィードバックを追加する場合、つまり、コンパレータを正のフィードバック構成で使用する場合。 技術的にはヒステリシスと呼ばれる状態でのラッチ動作を出力に導入します。 入力AC(正弦波)電圧信号の大きさに大きな変化がない限り、ヒステリシス効果により、回路の出力は現在の状態のままになります。

シュミットトリガーとは何ですか?

世界 シュミットトリガー または双安定マルチバイブレータは、双安定モードとして実行するためにXNUMXより大きいループゲインを持つ正のフィードバック構成で動作します。 電圧V+ 可能性があります。

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シュミットトリガーコンパレータ
シュミットトリガーコンパレータまたは双安定マルチバイブレータ
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シュミットトリガーコンパレータの電圧伝達特性

上の図は、出力電圧と入力電圧の曲線(電圧伝達特性とも呼ばれます)を表しており、特にヒステリシス効果を示しています。 伝達特性曲線には、入力電圧が増加するときの曲線と、入力電圧が減少するときの曲線のXNUMXつの特定の領域があります。 電圧V+ は一定の値ではありませんが、代わりに出力電圧Vの関数です。0.

電圧伝達特性

電圧伝達特性では、V= VH、または高い状態。 次に、

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より高いクロスオーバー電圧VTH

信号がVの信号よりも小さい場合+、出力はハイ状態のままです。 クロスオーバー電圧VTH Vが= V+ そして次のように表現されます:

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ときVi > VTH、反転端子の電圧は非反転端子の電圧よりも高くなっています。 電圧V+ その後、

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より低いクロスオーバー電圧VTL

V以来<VH 入力電圧Vi まだV以上です+、および出力はVとしてロー状態になりますi 増加し続ける; Vの場合i 入力電圧Vがi Vより大きい+、出力は飽和状態のままです。 ここでのクロスオーバー電圧は、Vが= V+ そしてこのVTL 以下のように表現

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Vとしてi 減少し続け、V未満のままです+; したがって、V0 高い状態のままです。 この伝達特性は上図で確認できます。 ヒステリシス効果は、正味伝達特性図に示されています。

シュミットトリガー発振器とは何ですか?

非安定マルチバイブレータまたはシュミットトリガーオシレータ

–veフィードバックでRCネットワークをシュミットトリガー回路に固定することで実現される非安定マルチバイブレーター。 このセクションを進めていくと、回路に安定状態がないことがわかります。したがって、非安定マルチバイブレータ回路とも呼ばれます。

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非安定マルチバイブレータ回路またはシュミットトリガーオシレータ

図に示すように、RCネットワークは負帰還経路に設定されており、反転入力端子はコンデンサを介してグランドに接続され、非反転端子は抵抗R間の接合部に接続されています。1 とR2 図に示すように。

最初は、R1 とR2 はRに等しく、出力がほぼゼロボルトで対称的に切り替わり、高飽和出力がVで表されると仮定します。= VP Vで示される低飽和出力= -VP。 もしV低い、またはV= -VP、次にV+ =-(1/2)VP.

ときVx Vをわずかに下回る+、出力がHighに切り替わるため、V= + VP とV= +(1/2)VP。 RCネットワークのコンデンサ両端の電圧の式は次のように表すことができます。

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どこ τx はτとして定義できる時定数ですx= RxCx。 電圧Vx 最終電圧Vに向かって増加しますP 時間に関して指数関数的に。 ただし、Vx Vよりわずかに大きいことが判明= +(1/2)VP、出力はVのロー状態にシフトします0 = -VP とVx =-(1/2)VP。 RxCx ネットワークは、電圧の負の急激な遷移、したがってコンデンサCによってトリガーされますx 放電を開始し、電圧Vx –Vの値に向かって減少しますP。 したがって、Vを表すことができますas

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どこで1 回路の出力がロー状態に切り替わる瞬間を指します。 コンデンサは指数関数的に放電しますV+ =-(1/2)VP、出力は再びハイにシフトします。 このプロセスは時間の経過とともに継続的に繰り返されます。つまり、この正のフィードバック回路の発振によって方形波出力信号が生成されます。 下図は出力電圧Vを示しています0 コンデンサ電圧Vx 時間に関して。

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シュミットトリガー発振器:時間に対する出力電圧とコンデンサー電圧のプロット

時間t1 t = tを代入することで見つけることができます1 とVx = VPコンデンサ両端の電圧の一般式の/ 2。

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上記の方程式からtを解くとき1、 我々が得る

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時間tについて2 (上の図で観察されるように)、同様の方法でアプローチし、上記の式を使用した同様の分析から、t間の差が明らかです。2 とt1 1.1RでもありますxCx。 このことから、振動時間TはT = 2.2Rと定義できると推測できます。xCx

したがって、周波数は次のように表すことができます。  

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発振器のデューティサイクル

出力電圧(V)の時間のパーセンテージ0)マルチバイブレータが高状態にある場合、特に発振器のデューティサイクルと呼ばれます。

発振器のデューティサイクルは           

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図に見られるように、出力電圧とコンデンサ電圧を時間に対して示しているように、デューティサイクルは50%です。

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アムリット・ショーについて

シュミットトリガーコンパレータおよびオシレータ| AstableおよびBistableマルチバイブレータ| 重要な分析元著者に接続: LinkedIn(https://www.linkedin.com/in/amrit-shaw/)

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