3.5. Мультивибраторы на логических элементах Автоколебательный мультивибратор

Пусть скорость передачи информации составляет V_и =1,2 кбит/сек = 1,2 1024 = = 1228,8 бит/сек. Тогда период импульсной последовательности равен Т = l / f_Т = = 1/1228,8 = 8,2*10^-3 ceк. Так как T = t_и + t_n, то t_и = t_n = 4,l * 10^-3 ceк.

Задача. Построить принципиальную схему мультивибратора в авто­колебательном режиме на ЛЭ, обеспечивающих длительность импульса и длительность паузы 4,1 мс.

Для построения мультивибратора в автоколебательном режиме используем следующую схему (рис. 29).

Логические элементы ЭЗ и Э4 служат для исключения возможного состоя­ния, когда на выходе Э1 и Э2 могут появиться уровни логической единицы (например, при включении питания).

Рассмотрим процессы в схеме (временные диаграммы работы показаны на рисунке), начиная с момента времени t₁, когда на выходе элемента Э1 потенциал скачком изменяется с уровня U⁰_вых до U¹_вых, а на выходе Э2 уменьшился с U¹_вых до U⁰_вых (конденсатор С1 был заряжен, а С2 разряжен). Как только на выходе Э1 появилась лог. 1, конденсатор С2 начинает заряжаться и на входе элемента Э2 напряжение будет определяться как U_вх2 = U¹_вых - U_C2.

а) б)

Рис. 29

В начальный момент времени U_С2 = 0 и U_вх2 = U_вых1. По мере зарядки конден­сатора С2 напряжение на нем увеличивается, а напряжение на входе Э2 уменьшается, и как только U_вх2 станет равным пороговому уровню, то на вы­ходе Э2 появится уровень логической единицы, а на выходе Э1 появится уро­вень логического нуля. При этом конденсатор С2 будет быстро разряжаться через малое выходное сопротивление Э1 и диод VD2, а конденсатор C1 бу­дет заряжаться по цепи: U_выхэ2 - С1 - R1 - малое выходное сопротивление Э4 до тех пор, пока на входе Э1 напряжение не уменьшится до U_nop и процесс по­вторится снова. Таким образом, работу схемы можно разделить на этапы:

1) t₁ - первый скачок;

2) t₁ ... t₂ - первое состояние квазиравновесия, когда заряжается конденсатор C₂ через резистор R₂ с постоянной времени зарядки конденсатора   С₂R₂. За это время формируется первый (условно) импульс на выходе схемы длительностью:

; (1)

3) t₂ - второй скачок;

4) t₂ ... t₃ - второе состояние квазиравновесия, когда заряжается конденсатор C₁ через резистор R1 с постоянной времени   С1 R1. За это время формируется второй (условно) импульс на выходе схемы длительностью:

; (2)

Следовательно, период следования импульсов, формируемых мультивибра­тором: T = t_и1 + t_и2 и при условии равенства R1 = R2, С1 = С2 выражение примет вид:

; (3)

При построении схемы мультивибратора могут использоваться ЛЭ как ТТЛ, так и КМОП типов. Так как для ЛЭ КМОП I⁰_вх = 0, то отпадает ха­рактерное для схемы на элементах ТТЛ ограничение на максимальное значе­ние сопротивления резисторов R1, R2. При этом требуемую постоянную вре­мени перезаряда RC-цепи можно обеспечить за счет увеличения сопротивле­ния, что всегда более желательно.

Зададимся значениями R1 и R2, учитывая особенности ЛЭ КМОП - ти­па. Выбираем R1 = R2 = 10 кОм.

Для реализации схемы на ЛЭ выберем ИМС 4011 (К561ЛА7, К564ЛА7), содер­жащую 4 ЛЭ 2И-НЕ. Параметры 4011 (данные из справочника):

• U⁰_вых  0,01 В при U_п = 5 В;

• U¹_вых  4,99 В при U_п = 5 В;

• I⁰⁽¹⁾_вых  0,51 мА при U_п = 5 В;

• I⁰⁽¹⁾_вых  1,3 мА при U_п = 10 В;

• U⁰_вых.max  0,95 В при воздействии помехи и U_п = + 5 В;

• U⁰_вых.min  3,6 В при воздействии помехи и U_п = + 5 В.

Из рассмотренных статических характеристик ЛЭ КМОП - типа следует, что допустимым уровнем изменения входного сигнала являются неравенства:

U¹_вх.min  U_вх (t)  U⁰_max .

U⁰_пом

U¹_пом

U¹_вых

U¹_вых.min

U⁰_вых.max

U⁰_вых

U⁰_вх

U⁰_вх.max

U¹_вх.min

U¹_вх

4,99

3,5

0,95

0,01

Рис. 30. Статическая характеристика ЛЭ КМОП-типа

И тогда можно считать, что:

U¹_вых.min  U¹_вх.min ;

U⁰_вых.mах  U⁰_{вх.мах .}

Исходя из определения пороговых напряжений уровня лог. 1 и лог. 0 приближенно можно считать:

U⁰_пор  U⁰_вх.min ;

U¹_пор  U¹_вх.mах ;

Тогда длительности состояний квазиравновесий можно опреде­лить:

; ,

где R1 = R2 = 10 кOM, U¹_вых. = 4,99 В, U¹_пор = U¹_вх.min = U¹_вых.min = 3,6 В.

Тогда емкость конденсатора С1 = С2 и будет равна:

Пример расчета длительности импульса. Определить длительность импульса, формируемого мультивибратором, если С1 = С2 = 7500 пф; R1 = R2 = 510 Ом; U¹ = 3,5 В; U_пор = 1,5 В; R_вых = 40 Ом.

В соответствии с выражениями

и  = (R + R_вых) С,

получим:

t_и = 2,3  (510 + 40) 7500 10^-12 lg  3,5 мкс.

Для схемы симметричного мультивибратора R1 = R2 = R, С1 = С2 = С, период колебаний Т определяется по формуле:

Т = t₁ + t₂ = 2  ln  2,

где постоянная времени зарядки конденсатора  = (R + R_вых) С.

Выбор типов и номиналов резисторов и конденсаторов:

1) Резисторы.

Выбираем (в зависимости от назначения) из сущест­вующих групп резисторов общего назначения. По типу материала резисторного элемента наиболее подходит металлопленочные лакированные тепло­стойкие - МЛТ. Выбираем номинал сопротивления из ряда Е24 с допуском ± 5% (Кузнецов Г. В. Кодовая и цветовая маркировка резисторов и конденса­торов): R1 = R2 = 10 кОм ± 5%. Рассчитываем потребляемую мощность:

P_пoтp = I² R = (0.51)² * 10 = 2,6мBт = 0,0026Bт. Для нормальной работы резистора необходимо выполнить условие: Р_ном > Р_потр. Из существующего ряда номи­нальных мощностей резисторов выбираем ряд 0,01. Таким образом, резистор R имеет наименование: МЛТ - 0,01 - В – 10 кОм ± 5% (В - всеклиматическое исполнение).

2) Конденсаторы.

Выбираем конденсатор постоянной емкости, по типу диэлектрика, с учетом емкости, оксидно-полупроводниковые (f = 0...10⁵ Гц) типа К53-4. Номинальную емкость выбираем из ряда Е12, наи­более часто используемого в производстве, с допуском ± 10% и рабочим на­пряжением 6,3 В. Таким образом, конденсаторы С1 и С2 имеют наименование:

К53 - 4 - 6,3В - 1,2 мкФ ± 10%.

3) Диоды. Из перечня импульсных диодов наиболее подходит диод, широко используемый в военной интегральной схемотехнике, КД522А. Па­раметры диода: U_пр.  1B; U_обр. = 30 В; I _пp.cp. = 50 мА; I_обр.  2 мкА.