Rozebral bych dnes zapojení funkčního generátoru. Nejjednodušší je integrátor IOP1 vlevo nahoře. Má na vstup přivedeny obdélníky z pravého zesilovače OP2, který je zapojen jako komparátor s hysterezí. Obdélníky by měly mít teoreticky amplitudu napájecího napětí +/-9V, ale u reálného obvodu je výstupní napětí menší o úbytky na výstupním komplementárním NPN/PNP stupni operačního zesilovače, což u tohoto CMOS typu dělá asi 1,3V úbytek (zelený průběh). Pokud se pozastavujete nad různými typy OZ použitých v simulaci, tak je to proto, že pro některé simulace je zapotřebí použít reálnější model a někde stačí idealizovaný model zesilovače, což v tomto případě zpřehlední schéma o zbytečné napájecí vodiče. Ty by se navíc nepěkně křížily, protože komparátor má nahoře kladnou zpětnou vazbu. Takže na vstupu IOP1 je obdélník 8-1,3=7,7V.
Pro návrh OZ se často uvádějí dvě zlatá pravidla (Golden Rules). První počítá s extrémně velkým vstupním odporem, takže lze zanedbat proud do vstupů OZ. Druhé uvažuje velmi velké zesílení, pro jednoduchost třeba milion. Bude-li na výstupu konečné napětí třeba 1V, tak při správném zapojení bude mezi vstupy OZ napětí milionkrát menší. A mikrovolt lze rovněž zanedbat. V literatuře se někdy u invertujícího zapojení někdy mluví o virtuální zemi. Invertující vstup má vzhledem k zemi sice téměř nekonečný odpor, ale od země se liší jen o ten mikrovolt, čili je prakticky na shodném potenciálu. Aby to platilo, musí být samozřejmě zapojená fungující záporná zpětná vazba.
Z toho ovšem vyplývá i to, že na invertující zapojení OZ lze pohlížet i jako na vstupním napětím řízený zdroj proudu. Mezi vstupy OZ je zanedbatelné napětí (můžeme pro jednoduchost uvažovat nulu), takže těch 7,7 voltu bude i na odporu R1 a OZ bude otevírat výstupní tranzistory, aby to stále platilo. Proud odporem R1 tedy bude podle Ohmova zákona 7,7/100k. Tento konstantní zdroj proudu bude nabíjet kondenzátor. Lze to přirovnat k napouštění bazénu hadicí. Výška hladiny (analogie napětí na kondenzátoru) poroste lineárně. Výstupní napětí integrátoru má shodný průběh jako napětí na kondenzátoru, jen je opačně (béžová čára). Až se dosáhne komparační úrovně, tak se to překlopí a začne se to přebíjet na druhou stranu (v časovači 555, to zajišťuje dělič 5k5k5k a klopný obvod RS). S překlopením se změní i polarita komparační úrovně.
Spodní nelineární zesilovač IOP2 je jen varianta na základní invertující zapojení OZ. To má zesílení dané poměrem zpětnovazebních odporů R4/R5, tj 85k/100k=0,85. Antiparalelně zapojené zenerky se při malém napětí neuplatní, protože vždy je jedna v nepropustném směru. Jak se ale napětí zvyšuje, tak se pomalu začínají otevírat a zmenšují tak zesílení při větších napětích, protože tvoří nelineární bočník ke zpětnovazebnímu odporu. Je hodně velká náhoda, že průběh kolena voltampérové charakteristiky se blíží sinusovce.
Pro tvarování je kritická amplituda vstupních trojúhelníků, ta musí být zvolena přesně, aby se to správně zaoblilo s co nejmenším zkreslením. Počáteční strmost stoupání sinusovky lze ovlivnit poměrem odporů R4/R5. Nejhorší na pochopení je ale použitá varianta komparátoru s hysterezí. Na pravém konci TL081 je téměř napájecí napětí (řekněme +7,7V). A na levém je výstup integrátoru, kde lineárně klesá napětí. Protože OZ má nekonečně velký odpor, tak proud odpory zpětné vazby R3/R2 je stejný. Ale zvětšuje se s poklesem napětí na levé straně. K překlopení pak dojde v okamžiku, když mezi vstupy komparátoru bude nula. To nastane při UMAX/R3=UREF/R2, přesněji samozřejmě těch 7,7 voltů, takže UREF =7,7*100k/200k. A teď zkusíme odsimulovat jednotlivé bloky zvlášť, nejdříve integrátor:
Tuhle simulaci by v zapojení realizovat nešlo, protože to předpokládá stejně dlouhé úseky obdélníků (střída 1:1, či 50 procent). Když bude jedna úroveň trvat jen nepatrně déle, vyšplhá se po pár periodách výstup do saturace. TinaPro nemá možnost zadat obdélníky s fázovým posuvem. Zkusil jsem proto zadat kousek průběhu pomocí souřadnic bodů grafu (čas, napětí). Důležitý je dodatečně vybarvený trojúhelníček. Je z něj vidět, že perioda je složena ze čtyř stejných úseků. Pro určení periody a tedy i kmitočtu proto stačí spočítat, jak dlouho to trvá, než se kondenzátor nabije z nuly na UREF a pak výsledek vynásobit čtyřma. Pro lineární nabíjení ze zdroje proudu platí:
Takže ještě shrnutí odvození. V levém sloupci je odvození lineárního nabíjení. Náboj, co tam po drátech přiteče, pak bude na kondezátoru. Vlevo je náboj ze vzorce pro proud a vpravo náboj na kondenzátoru. A z toho vypadne vzorec pro lineární nabíjení kondenzátoru. V prostředním sloupci je dosazeno za proud operačním zesilovačem z Ohmova zákona. Prostřední vzorec je dosazení proudu do vzorce pro lineární nabíjení. Zbývá pak dosadit za napětí U=Uref a za čas t= T/4 a vyjádřit čtvrtinu periody. Tím jsme získali čas trvání červeného trojúhelníčku, tj. čtvrtiny periody. V pravém sloupci jsou pro kontrolu dosazeny hodnoty z grafu. Lineární nabíjení se používá často, například i AD převodnících s dvojí íntegrací (dual slope).
Simulace tvarovače je jednoduchá. Pro menší zkreslení jsem trochu zmenšil amplitudu trojúhelníků. Vpravo dole je harmonické zkreslení (obsah vyšších harmonických-Harmonic distortion). V simulaci se to dá doladit i pod jedno procento, v reálném zapojení jsem se nakonec dostal pod dvě procenta.
Simulační program umí zobrazit i převodní charakteristiku, což je podrobněji vysvětleno u simulace komparátoru. Vodorovná osa grafu je vstup a svislá výstup. Myslím, že je zřejmé co to dělá, pro malé napětí je to prostě lineární zesilovač se zesílením 0,85 a při vyšších napětích se zesílení zmenšuje a tím se trojúhelník zaoblí.
Komparátor se simuluje dobře. Zvedl jsem napájecí napětí, aby výstupní napětí bylo pro názornost +/-9V a referenční pak polovina +/-4,5V. Vstupním napětím je trojúhelník s amplitudou 10 voltů. Pomocí osciloskopu lze trochu krkolomně získat i hysterezní křivku komparátoru
V dalších obvodech popíšu elegantnější řešení získání převodní charakteristiky pomocí modulu postprocesoru. Omlouvám se, že těch vzorečků bylo tentokrát víc. Zítra zkusíme simulovat charakteristiky tranzistoru a diod.
