10.1. Ждущий мультивибратор (одновибратор) на оу

Ждущий мультивибратор (ЖМВ) – это генератор одиночных прямоугольных видеоимпульсов (отсюда его второе название – одновибратор). В интервале между импульсами (во время пауз) ЖМВ находится в устойчивом «дежурном» режиме, вывести из которого его можно только с помощью короткого импульса запуска. После формирования одиночного прямоугольного импульса ЖМВ возвращается в устойчивое состояние самопроизвольно, без внешнего воздействия. Таким образом, схема ЖМВ является моностабильной (т. е. имеет одно устойчивое состояние, а другое – неустойчивое). Схемы мультивибраторов сильно различаются топологически в зависимости от того, какие активные элементы входят в них.

Рис. 10.1

Схема ждущего мультивибратора на ОУ приведена на рис. 10.1, а диаграммы напряжений, поясняющие ее работу, – на рис. 10.2.

Мультивибратор состоит из регенеративного компаратора (в составе ОУ и резистивного делителя R₂–R₃), зарядной цепи, состоящей из сопротивления R₁, конденсатора C₁ и диода VD₁, а также из цепи запуска (дифференцирующей цепи C₂–R₄ и диода VD₂ в качестве ограничителя снизу). Так как выход всего ЖМВ совпадает с выходом компаратора, то очевидно, что выходной сигнал может принимать значения ±Е (равные напряжениям источников питания ОУ).

Во время пауз между импульсами выходное напряжение равно –Е, при отрицательном выходном напряжении диод VD₁ исключает возможность заряда конденсатора C₁. Так как U_вых = –Е, то из-за наличия делителя R₂–R₃ потенциал неинвертирующего входа ОУ равен

= +ЕR₃(R₂ + R₃) = –Е,

а потенциал инвертирующего входа= 0, так как диод VD₁ открыт и шунтирует конденсатор C₁.

Рис. 10.2

После подачи на неинвертирующий вход ОУ положительного запускающего импульса с амплитудой, по модулю превосходящей –Е, компаратор в составе ЖМВ срабатывает, на выходе ЖМВ устанавливается напряжение U_вых = +Е. Начинается формирование прямоугольного импульса. Диод VD₁ закрывается и начинается заряд конденсатора С₁ через сопротивление R₁ в направлении +Е (с постоянной времени С₁R₁). На неинвертирующем входе фиксируется потенциал = = +ЕR₃(R₂ + R₃) = +Е. Когда напряжение на конденсаторе С₁ достигает значения +Е, компаратор снова срабатывает (на сей раз без подачи сигнала запуска), формирование импульса завершается, на выходе восстанавливается напряжение U_вых = –Е, а заряд, накопленный на конденсаторе C₁, быстро стекает через диод VD₁, который вновь открывается в прямом направлении. После этого схема окончательно возвращается в исходное состояние.

Схема рис. 10.1 формирует положительные импульсы амплитудой 2Е (для формирования отрицательных импульсов необходимо развернуть оба диода, имеющиеся в схеме). Длительность импульса, формируемого ЖМВ на ОУ, определяется всеми основными элементами схемы: τ = С₁R₁ln(l + R₂/R₃), время восстановления τ_в = 3С₁r_{VD отк}. Период импульсов на выходе ЖМВ равен периоду импульсов запуска, но не может быть меньше, чем (τ + τ_в).

10.2. Автоколебательный мультивибратор на оу

Рис. 10.3

Автоколебательный мультивибратор (АМВ) служит для создания непрерывных последовательностей прямоугольных импульсов. Все переключения в схеме происходят в результате внутренних процессов в ней, никаких импульсов запуска не требуется. Так как оба состояния АМВ неустойчивы, то схему можно назвать астабильной. Принципиальная схема автоколебательного мультивибратора на ОУ представлена на рис. 10.3, а диаграммы, поясняющие ее работу, – на рис. 10.4.

Мультивибратор состоит из регенеративного компаратора на ОУ и резисторах R₃ и R₄ и зарядной цепи VD₁–VD₂–R₁–R₂–C. Значения выходного напряжения практически достигают уровней +Е, –Е, что определяется свойствами выходного каскада операционного усилителя. Напряжение на неинвертирующем входе ОУ соответствует по форме входному напряжению, но уменьшено по амплитуде в  = R₁/(R₁ + R₂) раз. Конденсатор С перезаряжается током, поступающим с выхода ОУ, либо через диод VD₁ и резистор R₁ (при +Е на выходе), либо через диод VD₂ и R₂ (при –Е). В процессе работы АМВ сигнал на выходе усилителя меняет знак, когда напряжение на конденсаторе U_C (а значит и на инвертирующем входе ОУ) достигает значений +Е или –Е.

Длительности положительного и отрицательного импульсов ⁺ и ^– определяются по формулам ⁺ = СR₁ ln (1+ (2R₃)/R₄), ^– = СR₂ ln (l + (2R₃)/R₄). Соответственно, период импульсов Т = ⁺ + ^– = С(R₁ + R₂) ln (1+ (2R₃)/R₄), а скважности Q⁺ = 1 + R₂/ R₁, Q^– = 1 + R₁/ R₂. Амплитуда импульсов равна 2Е.

Если требуется сформировать симметричную импульсную последовательность (меандр), у которой ⁺ = ^– = Т/2, а Q⁺ = Q^– = 2, то можно применить упрощенную схему мультивибратора (рис. 10.5). Принцип ее действия полностью аналогичен схеме рис. 10.3, однако заряд и разряд конденсатора С идут по одной и той же цепи и не зависят от полярности выходного напряжения; диоды из нее устранены.

Рис. 10.4	Рис. 10.5

АМВ формируют импульсные последовательности со скважностями, не превышающими несколько десятков; для обеспечения больших значений Q необходимо существенное различие между значениями R₁ и R₂, так что номинал одного резистора становится сопоставимым с полем допуска другого. В этих условиях параметры последовательностей становятся нестабильными.