Informations- und Kommunikationstechnik

Astabile Kippstufe mit OPV

Mit einem Operationsverstärker entsteht in einfacher Schaltung ein Rechteckgenerator. Verwendet wird ein invertierender Schmitt-Trigger als Komparator mit einem am E− Eingang liegenden RC-Glied für die Rückkopplung. Als übersteuerter Verstärker schaltet der Komparator die Ausgangsspannung beim Vergleich mit der Eingangsspannung auf eine der beiden möglichen Sättigungsspannungen des OPVs. Die Ausgangsspannung lädt dann den Kondensator über einen Widerstand auf oder um. Erreicht die Ladespannung die Referenzspannung am E+ Eingang des OPVs, so kippt die Ausgangsspannung in den anderen Sättigungswert und der Kondensator wird umgeladen, bis die Referenzspannung erreicht und überschritten wird. Die Schaltung arbeitet als Oszillator für ein rechteckförmiges Ausgangssignal.

Rechteckgenerator mit OPV

Der ohmsche Widerstandsteiler bestimmt die Referenzspannung bezogen auf die Ausgangs- und Sättigungsspannung des OPVs. Die Simulation ergab für die Sättigungsspannungen Werte von ±14,235 V und für die Umschaltspannungen +7,27 V und −7,25 V. Für die mathematischen Berechnungen gelten die folgenden Gleichungen.

Formelteil für astabile OPV-Kippstufe

Die in der Simulation bestimmte Periodendauer betrug 22,7 ms, die Berechnung ergibt 22 ms. Aufgrund der absolut gleichen Referenz- und Umschaltspannungen ist das Rechtecksignal zeitsymmetrisch. Rechtecksignale mit unterschiedlichen Schaltzeiten können generiert werden, wenn der ohmsche Spannungsteiler nicht mit Masse, sondern mit einer einstellbaren Spannungsquelle verbunden ist. Für Referenzspannungen ungleich null errechnen sich zwei unterschiedliche Absolutwerte U1 und U2 für die Schaltschwellen.

Rechteckgenerator mit variablen Schaltzeiten

Wird ein Widerstandswert vorgegeben, so kann für eine gewählte Referenzspannung und eine Schaltschwelle der zweite Widerstandswert berechnet werden. Mit frei gewählten Schaltschwellen ist die Referenzspannung berechenbar und mit diesen Werten und der Vorgabe eines Widerstandswertes ist auch der zweite Wert bestimmt. In der Simulation betragen die Sättigungsspannungen des OPVs ±14,235 V. Die beiden Schaltspannungen werden mit U1 = −1 V und U2 = −8 V gewählt. Damit errechnet sich die Referenzspannung zu Uref = −6 V. Die Referenzspannung wird über einen 10 kΩ Teilerwiderstand R2 zugeführt. Damit errechnet sich der Rückkoppelwiderstand zu R1 = 31 kΩ. Die Simulation wird mit dem gängigen Normwert 33 kΩ durchgeführt und zeigt das folgende Ergebnis.

Simulationsergebnis des berechneten Rechteckgenerator

Mit einer Referenzspannung von +6 V ist das Signaldiagramm an der Ausgangsspannung 0 V vertikal gespiegelt. Bleibt die Zeit tein der positiven und taus der negativen Ausgangsspannung zugeordnet, so tauschen sich die Zeiten gegeneinander aus. Beide Schaltschwellen sind positiv mit U1 = 8 V und U2 = 1 V.