مولتی ویبراتور آپ امپ یک مدار آپ‌امپ غیر معکوس کننده است که به کمک یک شبکه فیدبک RC، سیگنال ورودی خود را تولید می‌کند. تقویت کننده عملیاتی، یا به طور خلاصه آپ امپ، دستگاهی همه کاره است که می‌تواند در انواع مدارها و کاربردهای مختلف الکترونیکی، از تقویت کننده‌های ولتاژ گرفته تا فیلترها و اصلاح کننده‌های سیگنال استفاده می شود. اما یک مدار بسیار ساده و مفید آپ امپ، که مبتنی بر هر تقویت کننده عملیاتی برای اهداف عمومی است، مولتی ویبراتور آپ امپ آستابل می‌باشد.
می‌توان مدارهای مولتی ویبراتور را با استفاده از ترانزیستورها، گیت‌های منطقی یا از تراشه های اختصاصی مانند تایمر NE555 ساخت. همچنین مولتی ویبراتور آستابل به طور مداوم بین دو حالت ناپایدار خود سوئیچ می‌کند و نیازی به هیچ تحریک خارجی ندارد.
اما مشکلی که در استفاده از این قطعات برای تولید یک مدار مولتی ویبراتور آستابل وجود دارد این است که برای آستابل‌های مبتنی بر ترانزیستور، قطعات اضافی زیادی مورد نیاز است، آستابل‌های دیجیتال به طور کلی تنها در مدارهای دیجیتال قابل استفاده هستند و استفاده از تایمر 555 ممکن است بدون اجزای بایاس اضافی، همیشه یک خروجی متقارن نداشته باشد. اما مدار مولتی ویبراتور آپ امپ می‌تواند سیگنال موج مستطیلی خوبی را با استفاده از تنها چهار قطعه، سه مقاومت و یک خازن زمان بندی، برای ما فراهم کند.
مولتی ویبراتور آپ امپ یک مدار نوسان ساز آستابل است که با استفاده از یک شبکه زمان بندی RC متصل به ورودی وارونگر تقویت کننده عملیاتی و یک شبکه تقسیم ولتاژ متصل به ورودی غیر وارونگر، یک شکل موج خروجی مستطیلی تولید می‌کند.
برخلاف مونو آستابل یا بای آستابل، مولتی ویبراتور آستابل دارای دو حالت است که هیچ یک از آنها پایدار نیست، زیرا به طور مداوم در حال جابجایی بین این دو حالت است و مدت زمان صرف شده در هر حالت توسط شارژ یا دشارژ خازن از طریق یک مقاومت کنترل می‌شود.
در مدار مولتی ویبراتور، آپ امپ به عنوان مقایسه‌کننده آنالوگ عمل می‌کند. مقایسه کننده آپ امپ، ولتاژهای دو ورودی خود را مقایسه می‌کند و بسته به این که ورودی از یک مقدار مرجع (Vref) بزرگتر یا کوچک‌تر باشد، خروجی مثبت یا منفی می‌دهد.
با این حال، از آنجا که مقایسه کننده آپ امپ حلقه باز نسبت به تغییرات ولتاژ در ورودی‌های خود بسیار حساس است، هر زمان که ولتاژ ورودی اندازه گیری شده به ولتاژ مرجع (Vref) نزدیک باشد، خروجی می‌تواند به طور غیرقابل کنترل بین ریل‌های مثبت (+Vsat) و منفی (-Vsat) خود سوئیچ کند.
برای از بین بردن هرگونه عملیات سوئیچینگ نامنظم یا کنترل نشده، آپ امپ مورد استفاده در مدار مولتی ویبراتور به عنوان یک مدار حلقه بسته اشمیت تریگر پیکربندی می‌شود. مدار زیر را در نظر بگیرید.
مقایسه کننده آپ امپ اشمیت
مدار مقایسه کننده آپ امپ بالا به صورت اشمیت تریگر پیکربندی شده است که از فیدبک مثبتی که توسط مقاومتهای R1 و R2 تامین می‌شود برای تولید هیسترزیس استفاده می‌کند. از آنجا که این شبکه مقاومتی بین خروجی تقویت کننده و ورودی غیر وارونگر (+) متصل است، هنگامی که Vout در ریل منبع مثبت اشباع می‌شود، یک ولتاژ مثبت به ورودی غیر وارونگر آپ امپ اعمال می‌شود. به همین ترتیب، هنگامی که Vout به ریل منبع منفی اشباع می‌شود، ولتاژ منفی به ورودی غیر وارونگر آپ امپ اعمال می‌شود.
از آنجا که این دو مقاومت در خروجی آپ امپ به عنوان یک شبکه تقسیم ولتاژ پیکربندی شده‌اند، ولتاژ مرجع (Vref) به کسری از ولتاژ خروجی که به ورودی غیر وارونگر برگشت داده می‌شود، وابسته خواهد بود. این کسر فیدبک (β) به شرح زیر است:
که در آن +Vsat ولتاژ اشباع DC مثبت آپ امپ و -Vsat ولتاژ اشباع DC منفی آن است.
پس می‌توانیم ببینیم که ولتاژ مرجع مثبت یا +Vref (به عبارت دیگر، حداکثر مقدار مثبت ولتاژ در ورودی وارونگر) برابر است با +Vsatβ، در حالی که ولتاژ مرجع منفی یا -Vref (به عبارت دیگر، حداکثر مقدار منفی ولتاژ در ورودی وارونگر) برابر است با -Vsatβ.
بنابراین اگر Vin از +Vref بیشتر شود، آپ امپ تغییر حالت می‌دهد و ولتاژ خروجی به ولتاژ اشباع DC منفی آن می‌رسد. به همین ترتیب، وقتی ولتاژ ورودی از -Vref کمتر شود، آپ امپ بار دیگر تغییر حالت می‌دهد و ولتاژ خروجی از ولتاژ اشباع منفی به ولتاژ اشباع DC مثبت تبدیل می‌شود. مقدار هیسترزیس داخلی به وجود آمده توسط مقایسه کننده اشمیت هنگام تغییر بین دو ولتاژ اشباع، با اختلاف بین دو ولتاژ مرجع تریگر تعریف می‌شود: VHYSTERESIS=+Vref-(-Vref).
تبدیل سینوسی به مستطیلی
یکی از کاربردهای زیاد مقایسه گر اشمیت تریگر، به غیر از مولتی ویبراتور آپ امپ، این است که می‌توانیم از آن برای تبدیل هر شکل موج سینوسی دوره‌ای به یک شکل موج مستطیلی استفاده کنیم، به شرط آن که مقدار سینوسی بیشتر از نقطه مرجع ولتاژ باشد.
در واقع مقایسه کننده اشمیت همیشه یک شکل موج خروجی مستطیلی، مستقل از شکل موج سیگنال ورودی، تولید می‌کند. به عبارت دیگر، ولتاژ ورودی لازم نیست سینوسی باشد و می‌تواند هر شکل موج ساده یا پیچیده‌ای باشد. مدار زیر را در نظر بگیرید.
مبدل سینوسی به مستطیلی
از آنجا که شکل موج ورودی به صورت دوره‌ای خواهد بود و دامنه آن به اندازه کافی بزرگتر از ولتاژ مرجع آن (Vref) است، شکل موج مستطیلی خروجی همیشه دارای همان دوره تناوب (T) و در نتیجه همان فرکانس (f) شکل موج ورودی خواهد بود.
با جایگزینی مقاومت R1 یا R2 با پتانسیومتر، می‌توان کسر فیدبک (β) و در نتیجه مقدار ولتاژ مرجع را در ورودی غیر وارونگر تنظیم کرد تا باعث شود آپ امپ وضعیت را در صفر تا 90° از هر نیم سیکل تغییر دهد، به شرطی که ولتاژ مرجع (Vref) از حداکثر دامنه سیگنال ورودی کمتر باشد.
مولتی ویبراتور آپ امپ
با جایگزینی ورودی سینوسی با یک مدار زمان بندی RC که به خروجی آپ امپ متصل شده است، می‌توانیم این ایده تبدیل شکل موج دوره‌ای به یک خروجی مستطیلی را یک مرحله فراتر ببریم. این بار، همانطور که نشان داده شده، به جای این که از شکل موج سینوسی برای تحریک آپ امپ استفاده شود، می‌توانیم از ولتاژ شارژ خازن (VC) برای تغییر حالت خروجی آپ امپ استفاده کنیم.
مدار مولتی ویبراتور آپ امپ
پس چگونه کار می‌کند؟ در ابتدا فرض می‌کنیم خازن کاملا دشارژ و خروجی آپ امپ در ریل تغذیه مثبت اشباع شده است. خازن C از طریق مقاومت R با نرخ تعیین شده توسط ثابت زمانی RC آنها، از ولتاژ خروجی (Vout) شروع به شارژ شدن می‌کند.
می‌دانیم که خازن می‌خواهد ظرف پنج ثابت زمانی، کاملا به مقدار Vout (که همان +Vsat است) شارژ شود. با این حال، به محض اینکه ولتاژ شارژ خازن در ترمینال وارونگر (-) آپ امپ برابر یا بیشتر از ولتاژ ترمینال غیر وارونگر شود (کسر ولتاژ خروجی آپ امپ که بین مقاومتهای R1 و R2 تقسیم می‌شود)، خروجی تغییر خواهد کرد و به سمت ریل تغذیه منفی هدایت می‌شود.
اما خازن که با خوشحالی به سمت ریل تغذیه مثبت (+Vsat) شارژ می‌شد، اکنون یک ولتاژ منفی (-Vsat) روی صفحات خود مشاهده می‌کند. این برگشت ناگهانی ولتاژ خروجی باعث دشارژ خازن به سمت مقدار جدید Vout با نرخی می‌شود که بار دیگر توسط ثابت زمانی RC آنها تعیین می‌شود.
ولتاژهای مولتی ویبراتور آپ امپ
هنگامی که ترمینال معکوس کننده آپ امپ به ولتاژ مرجع منفی جدید (-Vref) در ترمینال غیر وارونگر برسد، آپ امپ بار دیگر تغییر حالت می‌دهد و خروجی به ولتاژ ریل منبع مخالف (+Vsat) هدایت می‌شود. خازن اکنون یک ولتاژ مثبت در صفحات خود مشاهده می‌کند و چرخه شارژ مجددا شروع می‌شود. به این ترتیب، خازن به طور مداوم در حال شارژ و دشارژ است و یک خروجی مولتی ویبراتور آپ امپ تولید می‌کند.
دوره تناوب شکل موج خروجی با ثابت زمانی RC دو قطعه زمان بندی و نسبت فیدبک ایجاد شده توسط شبکه تقسیم ولتاژ R1-R2 (که سطح ولتاژ مرجع را تعیین می‌کند) تعیین می‌شود. اگر مقادیر مثبت و منفی ولتاژ اشباع تقویت کننده بزرگی یکسانی داشته باشند، آن گاه t1=t2 و معادله دوره تناوب نوسان یه شرح زیر خواهد بود:
که در آن: R مقاومت، C ظرفیت، ()ln لگاریتم طبیعی کسر فیدبک، T دوره تناوب به ثانیه و f فرکانس نوسان به هرتز است.
پس از معادله بالا می‌توان دریافت که فرکانس نوسان برای یک مدار مولتی ویبراتور آپ امپ، نه تنها به ثابت زمانی RC، بلکه به کسر فیدبک نیز بستگی دارد. با این حال، اگر از مقادیر مقاومتی که کسر فیدبک برابر با 0.462 به ما می‌دهد استفاده کنیم (β=0.462)، در این صورت فرکانس نوسان مدار تنها برابر با 1/2RC است، زیرا همانطور که نشان داده شده، عبارت لگاریتم خطی برابر با یک خواهد بود.
مولتی ویبراتور آپ امپ، مثال 1
یک مدار مولتی ویبراتور آپ امپ با استفاده از اجزای زیر ساخته شده است. R1=35kΩ، R2=30kΩ، R=50kΩ و C=0.01μF. فرکانس نوسان مدار را محاسبه کنید.
می‌توانیم با جایگزینی یکی از مقاومتهای فیدبک با پتانسیومتر، این مدار مولتی ویبراتور آپ امپ را یک گام جلوتر ببریم و همانطور که نشان داده شده، یک مولتی ویبراتور آپ امپ با فرکانس متغیر تولید کنیم.
مولتی ویبراتور آپ امپ متغیر
با تنظیم پتانسیومتر مرکزی بین β1 و β2، فرکانس خروجی بین مقادیر زیر تغییر می‌کند.
لغزنده پتانسیومتر در β1
لغزنده پتانسیومتر در β2
پس در این مثال ساده، تنها با تغییر مقادیر قطعات RC، می‌توانیم یک مدار مولتی ویبراتور تقویت کننده عملیاتی تولید کنیم که می‌تواند یک خروجی شکل موج مستطیلی متغیر از 100Hz تا 1.22kHz، یا هر محدوده فرکانسی که به آن نیاز داریم، تولید کند.
در بالا مشاهده کردیم که می‌توان با استفاده از یک تقویت کننده عملیاتی استاندارد مانند 741 و چند قطعه اضافی، یک مدار مولتی ویبراتور آپ امپ بسازیم. این نوسان سازهای آرامشی غیر سینوسی کنترل شده با ولتاژ، معمولا به چند صد کیلو هرتز (kHz) محدود می‌شوند، زیرا آپ امپ پهنای باند لازم را ندارد، اما با این وجود هنوز هم نوسان سازهای عالی تولید می‌کنند.
