Comparador e oscilador de gatilho Schmitt | Multivibrador astável e biestável | Análise importante

Neste artigo, estudaremos detalhadamente o comparador de gatilhos Schmitt e os circuitos do oscilador com diferentes parâmetros relacionados. Como vimos até agora, um amplificador operacional é usado em vários campos de aplicações e, sendo um dispositivo tão versátil, sua importância como parte de circuitos analógicos é imensa. Uma das aplicações mais convenientes do amplificador operacional é como um circuito multivibrador. Estaremos estudando em detalhes sobre os tipos e funcionamento do circuito multivibrador construído usando op-amps (op-amp multivibrators) e outros dispositivos passivos, como capacitores, diodos, resistores etc.

Conteúdo

  • Introdução de Multivibradores
  • Uso de feedback positivo no multivibrador
  • O que é o gatilho Schmitt?
  • Circuito fechado de circuito fechado do comparador de disparo Schmitt ou multivibrador biestável
  • Características de transferência de tensão do multivibrador biestável
  • Multivibrador astável ou oscilador de gatilho Schmitt
  • Ciclo de trabalho do oscilador

Introdução do Multivibrador e Circuito de Gatilho Schmitt

Os circuitos multivibradores são circuitos lógicos sequenciais e são de muitos tipos, dependendo de como são criados. Alguns multivibradores podem ser feitos usando transistores e portas lógicas, enquanto existem até chips dedicados disponíveis como multivibradores, como o temporizador NE555. O circuito multivibrador op-amp tem algumas vantagens sobre outros circuitos multivibrador, pois eles exigem muito menos componentes para seu funcionamento, menos polarização e produz melhores sinais de onda retangular simétrica usando comparativamente menos componentes.

Tipos de multivibradores

Existem principalmente três tipos de circuitos multivibradores presentes:

  1. Multivibrador astável,
  2. Multivibrador monoestável
  3. Multivibrador biestável.

O multivibrador monoestável tem um único estado estável, enquanto o número de estados estáveis ​​que um multivibrador biestável tem é 2.

Como aprendemos na seção anterior sobre op-amp como um comparador, na configuração de malha aberta, o comparador pode alternar de uma maneira fora de controle entre a tensão de alimentação de saturação positiva e a tensão de alimentação de saturação negativa quando uma tensão de entrada próxima àquela da tensão de referência é aplicada. Portanto, para ter controle sobre essa comutação incontrolável entre os dois estados, o amplificador operacional é usado em uma configuração de feedback (circuito de malha fechada) que é particularmente conhecido como circuito de disparo Schmitt de malha fechada ou multivibrador biestável.

Uso de feedback positivo no multivibrador e efeito de histerese

Até agora, aprendemos sobre a configuração de feedback negativo em amplificadores operacionais nas seções anteriores. Há também outro tipo de configuração de feedback conhecido como feedback positivo, que também é usado para aplicações específicas. Na configuração de feedback positivo, a tensão de saída é realimentada (conectada) ao terminal de entrada não inversor (positivo), ao contrário do feedback negativo, onde a tensão de saída foi conectada ao terminal de entrada inversor (negativo).

Um amplificador operacional operado em uma configuração de feedback positivo tende a permanecer naquele estado de saída particular em que está presente, ou seja, o estado positivo saturado ou negativo saturado. Tecnicamente, esse comportamento de travamento em um dos dois estados é conhecido como histerese.

Se o sinal de entrada aplicado no comparador consiste em alguns harmônicos ou picos adicionais (ruído), então a saída do comparador pode mudar para os dois estados saturados de forma inesperada e incontrolável. Nesse caso, não obteremos uma saída de onda quadrada simétrica regular da forma de onda senoidal de entrada aplicada.

Mas se adicionarmos algum feedback positivo ao sinal de entrada do comparador, ou seja, usar o comparador em uma configuração de feedback positivo; estaremos introduzindo um comportamento de travamento nos estados, o que tecnicamente chamamos de histerese na saída. Até e a menos que haja uma grande mudança na magnitude do sinal de tensão CA de entrada (sinusoidal), o efeito de histerese continuará a fazer a saída do circuito permanecer em seu estado atual.

O que é o gatilho Schmitt?

O Gatilho Schmitt ou multi-vibrador biestável opera em configuração de feedback positivo com um ganho de loop maior que a unidade para funcionar como um modo biestável. Tensão V+ pode ser.

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Comparador de gatilho Schmitt
Comparador de gatilho Schmitt ou multivibrador biestável
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As características de transferência de tensão do Comparador de gatilho Schmitt

A figura acima representa a tensão de saída versus a curva de tensão de entrada (que também é conhecida como características de transferência de tensão), mostrando particularmente o efeito de histerese. A curva característica de transferência tem duas regiões específicas, a curva conforme a tensão de entrada aumenta e a parte da curva em que a tensão de entrada diminui. A tensão V+ não tem um valor constante, mas em vez disso, é uma função da tensão de saída V0.

Características de transferência de tensão

Nas características de transferência de tensão, V= VH, ou em estado alto. Então,

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Maior tensão cruzada VTH

Se o sinal for menor que o de V+, a saída permanece em seu estado alto. A tensão cruzada VTH ocorre quando V= V+ e expresso da seguinte forma:

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Quando Vi > VTH, a tensão no terminal inversor é maior do que no terminal não inversor. Tensão V+ então acabou sendo

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Tensão cruzada inferior VTL

Desde V<VH a tensão de entrada Vi ainda é mais que V+, e a saída permanece em seu estado baixo como Vi continue a aumentar; Se Vi diminui, enquanto a tensão de entrada Vi é maior que V+, a saída permanece no estado de saturação. A tensão cruzada aqui e agora ocorre quando V= V+ e este VTL Expresso como

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Como Vi continua a diminuir, permanece menor que V+; portanto, V0 permanece em seu estado alto. Podemos observar essa característica de transferência na figura acima. Um efeito de histerese é mostrado no diagrama de característica de transferência líquida.

O que é oscilador de gatilho Schmitt?

Multivibrador astável ou oscilador de gatilho Schmitt

Multivibrador astável conseguido fixando uma rede RC ao circuito do gatilho Schmitt em feedback -ve. Conforme avançaremos na seção, veremos que o circuito não tem estados estáveis ​​e, portanto, também é conhecido como circuito multivibrador astável.

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Circuito multivibrador astável ou oscilador de gatilho Schmitt

Conforme observado na figura, uma rede RC é configurada no caminho de feedback negativo e o terminal de entrada inversor é conectado ao aterramento por meio do capacitor enquanto o terminal não inversor é conectado à junção entre os resistores R1 e R2 como mostrado na figura.

No início, R1 e R2 deve ser igual a R, e assumir que a saída muda simetricamente em torno de zero volts, com a alta saída saturada representada por V= VP e baixa saída saturada indicada por V= -VP. Se Vé baixo, ou V= -VP, então V+ = - (1/2) VP.

Quando Vx cai um pouco abaixo de V+, a saída muda para alta de modo que V= + VP e V= + (1/2) VP. A equação para a tensão através do capacitor em uma rede RC pode ser expressa como:

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Onde τx é a constante de tempo que pode ser definida comoτx= RxCx. A tensão Vx aumenta em direção a uma tensão final VP de forma exponencial em relação ao tempo. No entanto, quando Vx acabou sendo um pouco maior que V= + (1/2) VP, a saída muda para seu estado baixo de V0 = -VP e Vx = - (1/2) VP. O RxCx rede é acionada por uma transição aguda negativa das tensões e, portanto, o capacitor Cx começar a descarregar, e a tensão Vx diminuindo em direção ao valor de –VP. Podemos, portanto, expressar Vas

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Onde t1 refere-se ao instante de tempo em que a saída do circuito muda para seu estado baixo. O capacitor descarrega exponencialmente V+ = - (1/2) VP, a saída muda novamente para alta. O processo se repete continuamente ao longo do tempo, o que significa que um sinal de saída de onda quadrada é produzido pelas oscilações desse circuito de feedback positivo. A figura abaixo mostra a tensão de saída V0 e a tensão do capacitor Vx com respeito ao tempo.

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O oscilador de gatilho Schmitt: Gráfico da tensão de saída e da tensão do capacitor em relação ao tempo

Tempo t1 pode ser encontrado substituindo t = t1 e Vx = VP/ 2 na equação geral para a tensão no capacitor.

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Da equação acima, quando resolvemos para t1, Nós temos

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Por tempo t2 (conforme observado na figura acima), abordamos de forma semelhante, e, a partir de uma análise semelhante usando a equação acima, é evidente que a diferença entre t2 e T1 também é 1.1RxCx. A partir disso, podemos inferir que o período de tempo de oscilação T pode ser definido como T = 2.2 RxCx

E a frequência, portanto, pode ser expressa como  

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Ciclo de trabalho do oscilador

A porcentagem de tempo da tensão de saída (V0) do multivibrador está em seu estado alto é particularmente denominado como o ciclo de trabalho do oscilador.

O ciclo de trabalho do oscilador é           

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Conforme observado na figura, representando a tensão de saída e a tensão do capacitor em função do tempo, o ciclo de trabalho é de 50%.

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Sobre Amrit Shaw

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