4.2.4. Мультивибраторы

Мультивибраторы – это генераторы периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы. Мультивибраторы могут быть автогенераторами, автоколебательный режим которых создается благодаря использованию времязадающих RC цепей. В связи с этим остановимся коротко на преобразовании импульсных сигналов с помощью RC-цепей. В электронике в качестве времязадающих цепей используются широко L, C, R элементы. Однако в ИМС магнитные элементы практически невыполнимы, поэтому и делается акцент на RC цепях, которые просты, надежны и достаточно легко реализуемы в ИМС.

4.2.5. Дифференцирующие rc цепи

Схема такой цепи показана на рис.4.2.6., а).

а) б)

Рис. 4.2.6. a) Дифференцирующая RC цепь; б) Временные диаграммы дифференцирующей RC цепи;

На вход схемы подаются прямоугольные импульсы (см. рис. 4.2.6., б)). В момент t_1, напряжение U_вх меняется на величину 2U_m. Напряжение на конденсаторе меняется медленно

,

поэтому в первый момент напряжение входное передается на выход ΔU_вых=2U_m. Далее идет заряд конденсатора под действием напряжения U_вх=U_m через резистор R и напряжение U_с изменяется (нарастает) по экспоненте. Напряжение же на выходе U_вых(t)=U_вх(t)-U_с(t) по мере заряда конденсатора экспоненциально спадает к нулю. В момент t₂ напряжение U_вх меняется скачком на ΔU_вх=-2U_m и становится равным -Um. Начинается перезаряд конденсатора С через резистор R до напряжения -Um. Т.к. предыдущее напряжение на конденсаторы было +U_m, то на сопротивлении R выделяются разнополярные экспоненциально спадающие импульсы амплитудой 2Um. Длительность импульсов зависит от постоянной времени T=RC (и чем меньше Т, тем короче импульс). Аналитически выходное напряжение запишется:

.

4.2.6. Интегрирующие rc-цепи

RC-цепь, включенная по схеме рисунка 4.2.7., а), где напряжение снимается с емкости, называется интегрирующей, т.к. напряжение на ее выходе экспоненциально растет во времени, если на вход подано постоянное напряжение U_вх. (см, рис, 4.2.7., б))

а) б)

Рис.4.2.7. а) Интегрирующая RC-цепь; б) Временные диаграммы интегрирующей RC цепи;

При условии, что U(0)=0, ,

где Т=RC - постоянная интегрирующей цепи. Если на выходе RC-цепи подключить компаратор, на второй вход которого подано некоторое напряжение Е_о меньшее, чем U_вх, то оказывается возможным формировать временный интервал между моментом замыкания ключа и моментом срабатывания компаратора (момент срабатывания - это момент равенства U_вых=Е_о) или:

Прологарифмировав последнее выражение можно найти длительность интервала t_и.:

Формирование подобным образом интервала t_и лежит в основе многочисленных импульсных устройств. Рассмотрим отдельные варианты некоторых из них.

4.2.7. Симметричный мультивибратор на оу

а) б)

Рис. 4.2.8. а) Симметричный мультивибратор с компаратором на ОУ; б) Временные диаграммы, поясняющие работу мультивибратора с компаратором на ОУ;

В основе приведенного на рисунке 4.2.8. ,а), мультивибратора лежит компаратор на ОУ с положительной обратной связью с нулевым опорным напряжением. К инвертирующему входу подключена интегрирующая времязадающая RC цепь, для которой входным источником напряжения является выходная цепь ОУ.

Допустим, что при t<t₁ (см. рис. 4.2.8., б)) источники питания отключены, конденсатор С разряжен. В момент t=t₁ включаем источники питания, начинает изменяться входное и выходное напряжение на ОУ. Для определенности положим, что ΔU_вых>0, тогда это положительное приращение через цепь R_осR1 подается на прямой вход ОУ, усиливается, чем вызывает дальнейшее положительное приращение U_вых, которое скачком в результате этого достигает своего предельного значения U_вых=+U_выхm.

С момента t₁ конденсатор C через сопротивление R начинает заряжаться под действием напряжения +U_выхm с постоянной заряда Т_зар=CR. Нарастающее по экспоненте напряжение на емкости U_с подается на инвертирующий вход, а на прямой вход ОУ подается напряжение ПОС

æ

В момент t=t₂ напряжение U_с достигает значения +U_выхm*æ и напряжение U_о меняет знак на противоположный и происходит срабатывание компаратора (действительно до момента t₂ U_о=U_вх1-U_вх2=U_ос-U_с>0, а после t₂ U_о<0), процесс этот идет лавинообразно и завершается при U_вых=-U_выхm, т.е. выходное напряжение меняет знак. Так же скачком меняется напряжение ПОС на прямом входе, т.к.

æ.

Конденсатор С с момента t₂ начинает перезаряжаться через сопротивление R с постоянной времени T_пер=RC. При достижении напряжения на конденсаторе:

U_c=-æ*U_вых

в момент t₃ снова происходит изменение знака U_о с отрицательного на положительный, идет регенеративное переключение компаратора и выходное напряжение меняет знак U_вых=+U_выхm. Так же скачком меняется напряжение ПОС, а именно:

U_ос=+æ*U_выхm.

Конденсатор С заряжается под действием напряжения. U_вых=+U_выхm до значения +æU_выхm, когда в момент t₄ происходит очередное срабатывание компаратора. Если считать, что установившийся процесс начинается с t₂, то интервал t₄-t₃=t_и – длительность импульса, а интервал t₃-t₂=t_п – длительность паузы. Естественно, что эти интервалы времени зависят от постоянных времени заряда и разряда Т, напряжения U_выхm и напряжения обратной связи U_ос. Показано, что:

Тем же выражением определяется длительноть паузы t_п, т.к. в нашем случае Т_зар=Т_пер=RC. Период повторения Т_п=t_и+t_п=2RC*ln(1+2R₁/R_ос). Скважность:

Q=Т_п/t_и=2,

т.е. имеем так называемый симметричный мультивибратор. Если же постоянные времени Т_зар≠Т_пер, то t_и≠t_п и получается несимметричный мультивибратор, который можно реализовать по схеме рисунке 4.2.9., где

Т_зар=R'C, а Т_пер=R"С и соответственно:

Общим для обоих мультивибраторов является независимость t_и, t_п и Т_п от параметров самого ОУ, но это теоретически. Практически в результате различия напряжений U_вых ОУ при прямом и обратном насыщении, а также наличия напряжения смещения нуля, срабатывание компаратора происходит при ненулевом значении U_o=U_ос-U_c, что снижает стабильность работы схемы.

Рис.4.2.9. Несимметричный мультивибратор