Автоколивальний режим мультивібратора

П ринципову схему мультивібратора, який працює в автоколивальному режимі, приведено на рис. 4.3,а. У цій схемі обидва зв'язки між транзисторними ключами - ємнісні, що виключає можливість існування станів стійкої рівноваги, Почергово існують лише два стани квазірівноваги. Транзистор VT₁ або VT₂ може лишатись закритим, поки напруга відповідно на конденсаторі С₁ або С₂ лишається більшою напруги закриття. Ідеалізовані часові діаграми, що ілюструють роботу мультивібратора, зображено на рис.4.3,6. Тривалість першого стану квазірівноваги, коли транзистор VT₂ насичений (U_k2h=0), a VT₁ закритий (t₁<t<t₂), визначається процесом перезаряду конденсатора С₁ від джерела E_к через R₁ і транзистор VT₂. Вона дорівнює t₀₁=0,7R₁C₁. У цей час конденсатор С₂ встигає повністю зарядитися від джерела Е_к через R_к1 і перехід база-емітер транзистора VT₂. Час його заряду визначає фронт зростання напруги на колекторі VT₁: t_ф1=3R_к1С₂. Аналогічно тривалість другого стану квазірівноваги, коли транзистор VT₁ насичений (U_к1n=0), a VT₂ закритий (t₂<t<t₃), дорівнює: t₀₂=0,7R₂C₂. Конденсатор С₁ при цьому встигає зарядитись від джерела Е_к через R_к2 та перехід база-емітера VT₁, формуючи фронт зростання напруги на колекторі

VT₃: t_ф2=3R_к2С₁.

Період автоколивань мультивібратора, таким чином, визначається сумарним часом станів квазірівноваги:

В окремому випадку симетричної схеми, коли Rj=Ri, Ci^Q, вихідною напругою, яка знімається з одного із колекторів, буде меандр з періодом

T₀=1,4RC (4 4)

Слід зазначити у схемі мультивібратора (рис. 4.3,а) в принципі можливе існування стану стійкої рівноваги, коли обидва транзистори відкриті та насичені Він може виникнути, наприклад, при включенні живлення, хоча це і дуже малоймовірно. В практичних схемах часто вводять елементи асиметрії, які повністю виключають таку можливість.

Регулювання періоду автоколивань може проводитися тими ж засобами, що і зміна тривалості імпульсу в очікуючому мультивібраторі.

Мультивібратори на логічних елементах

Мультивібратори, так як і тригери, можна збиратись на інвертуючих логічних елементах, які виконують роль ключів

Очікуючий мультивібратор

Існує кілька варіантів схем очікуючих мультивібраторів. На рис. 4.4,а приведена схема на елементах І-НЕ. Вентилі VI та V2 утворюють асинхронний RS-тригер з інверсними входами. Вентиль V3 виконує роль інвертора. Резистор R та конденсатор С є часозадаючими елементами.

Для зручності розглядання роботи схеми будемо вважати, що ЛЕ мають ідеалізовану характеристику передачі, у якої (рис 4.4,6). Крім того, припустимо, що вхідньй опір ЛЕ R_вх=∞, а вихідний -R_вих=0. Часові діаграми, що ілюструють роботу схеми, при зроблених припущеннях будуть такими, як на рис. 4.4,в (затримкою спрацьовування вентилів порівняно з тривалістю імпульсу, що формується, знехтуємо)

У вихідному стані, коли напруга на вході U₃ має рівень логічної 1, тригер знаходиться у стані 0 Q=0Q=1. Напруга U₁=U⁰_вих=0, U₂-U'_вих. На виході інвертора U₃-U'_вих.. Конденсатор С заряджений U_c = U^t. Для тригера на елементах І-НЕ рівні 1 на обох входах відповідають режиму зберігання.

Для запуску на вхід короткочасно подається рівень логічного 0. Тривалість негативного імпульсу запуску повинна бути достатньою, щоб забезпечити перекидання тригера. Тригер переходить у стан 1: Q=1, Q=0. На виході інвертора встановлюється U₃=0. Конденсатор отримує можливість розряджатися через резистор R та вихідний опір інвертора, напруга на конденсаторі спадає. Це - стан квазірівноваги, який утримується доти, поки напруга на конденсаторі лишається більшою за порогову: U_c>U_пор. Як тільки U_с, падаючи досягне порогового значення і продовжить тенденцію стати меншою цього значення, тригер перекинеться в вихідний стан - в мультивібраторі відбудеться стрибок, який визначає момент закінчення імпульсу, що формується Тривалість імпульсу можна оцінити, використовуючи співвідношення (4.4)

Напруга на виході інвертора в результаті стрибка знову стає такою, що дорівнює U¹_вих. Конденсатор С починає заряджатися через резистор R - йде процес відтворення вихідного стану, тривалість якого

t_від=3RС (4.10)

Для скорочення часу відтворення резистор R шунтують діодом VD (на рис. 4.4,а зображений пунктиром).

Після закінчення заряду конденсатора мультивібратор опиняється у вихідному стані і "очікує" черговий імпульс запуску.

Реальні часові діаграми, які отримаються при відмові від зроблених вище припущень, мають на відміну від зображених на рис. 4.4,в іншу тривалість процесів перекидання; особливо це стосується зворотного переходу тригера із стану 1 до стану 0. При реальній характеристиці передачі ЛЕ цей процес починається при розімкненні петлі ПЗЗ, що призводить до сповільнення спаду імпульсу на виходах, Q та Q.

О чевидно, що зміни станів в цьому мультивібраторі відбуваються завдяки наявності тригера у складі схеми, і він є її основною частиною. Тому для побудови очікуючого мультивібратора можна скористатися мікросхемами D- або JK-тригерів, у яких є установочні входи. На рис 4.5,а зображено схему на D-тригері з динамічним управлінням і з інверсним установчим входом R. В цій схемі перехід тригера з 0 в 1 здійснюється імпульсом запуску на вході С. Після цього у стані квазірівноваги відбувається розряд конденсатора С через резистор R та вихідний опір тригера. Коли напруга на ньому знизиться до порогового рівня, тобто її можна буде прийняти за логічний 0, тригер знову перекидається в сган 0, внаслідок дії на його установчий вхід сигналу, нижчого за пороговий рівень.

У тих випадках, коли МС тригера мас прямі установочні входи, у стані квазірівноваги треба забезпечити не розряд, а заряд конденсатора. Таку схему на JK-тригері з прямими установчими входами приведено на рис. 4.5,6. Враховуючи, що двоступеневий JK-тригер спрацьовує після закінчення вхідного імпульсу, початок імпульсу, який формується, буде затриманий відносно початку імпульсу запуску на час його тривалості. Форма імпульсів у таких мультивібраторах залежить від того, з яких виходів тригера вони знімаються. Кінцеве значення вихідного опору вентиля, через який відбувається розряд (заряд) конденсатора С, спотворює форму напруги на виході вентиля. Тому в схемі на рис.4.5,а імпульс буде мати кращу форму на виході Q, а в схемі на рис.4.5,б - на виході Q .

Тривалість імпульсів мультивібраторів, зібраних на тригерах з установчими входами, як і час відтворення вихідного стану, оцінюється приведеними раніше співвідношеннями (4.9), (4.10).

Слід мати на увазі, що при виборі параметрів часозадаючих елементів R та С у всіх розглянутих схемах певні обмеження накладаються на величину опору резистора R. Це пов'язано з тим, що вхідний опір ЛЕ має кінцеве значення і вхідний струм, створюючи спад напруги на резисторі R, не дозволяє конденсатору С у вихідному стані бути зарядженим до рівня логічної 1. При великому значенні опору К початкова напруга на конденсаторі С може стати близькою до порогової напруги Uпор, і схема не буде працювати. Якщо припустити, що зменшення початкової напруги на конденсаторі не повинне перевищувати припустимого рівня статичної перешкоди U_п.ст, то граничне значення опору резистора R можна оцінити співвідношенням

де І_вх - вхідний струм логічного елемента.

Для ТТЛ- елементів, у яких вхідний струм достатньо великий, R_кр складає величину порядку 1 - 1,5 кОм.