4.5. Генераторы на ин­тегральных микросхе­мах.

В настоящее вре­мя широко приме­няются мультивибра­торы, выполненные в виде гибридных ИМС, а также на базе ло­гических ИМС и опе­рационных усилите­лей.

Мультивибраторы на основе логических ИМС обычно применяют в цифровой аппаратуре, так как при этом на­иболее полно обеспе­чивается унификация элементной базы. Кро­ме того, не требуется согласование по уров­ням сигналов релакса­ционных генераторов и других устройств ап­паратуры.

Мультивибраторы, к стабильности частоты которых не предъявляются жесткие требования, часто выполняют на ЛЭ (рис. 4.13, а, б). Они эквивалентны схеме рис. 4.11, так как ЛЭ — это усилители с большим коэффициентом усиления, имеющие два значения пороговых напряжений: U°_пор, U¹_пор. В обеих схемах имеется положительная обратная связь. Стадии квазиравновесия обусловлены тем, что после процесса регенера­ции, возникающего при выходе в активную область всех ЛЭ, входящих в петлю ОС, ко входу ЛЭ окажется приложенным напряжение, большее Ul_nop или меньшее U°_nop. По мере зарядки конденсатора С напряжение на входе соответственно снижается или повышается до уровня, при котором ЛЭ выйдут в активную область, и процесс регенерации повторится. Подобные мультивибраторы имеют невысокую временную и температурную стабильность частоты колебаний. Так, для ЛЭ серии 155 нестабильность частоты может достигнуть 5—10% при изменении напряжения питания на 5%. Колебания темпера­туры от 5 до 60 °С меняют частоту на 10—20%.

Промышленность выпускает специальные микросхемы муль­тивибраторов, например К263ГФ1. Изменяя емкость допол­нительного навесного конденсатора, у них можно изменять частоту автоколебаний от долей Гц до 80 МГц.

Для получения высокой стабильности частоты вместо времязадающего конденсатора часто включают кварцевый резонатор (рис. 4.13, в). При этом вследствие высокой доброт­ности кварцевого резонатора форма импульсов отличается от прямоугольной.

Иногда необходим генератор с очень низким уровнем шума (так называемый «низкий внеполосный шум»). В этом отношении хороша простая схема, показанная на рис. 4.14. В ней используется пара КМОП-инверторов, соединение которых между собой образует некото­рую разновидность RC релаксационного генератора с выходным сигналом в виде прямоугольного колебания. Реальные из­мерения, приведенные для этой схемы, работающей на частоте 100 кГц, показали, что плотность мощности шума в ближайшей боковой полосе (мощность на корень квадратный из герц, измеренная на 100 Гц смещения от генерируемой часто­ты), ниже по крайней мере на 85 дБ уровня основного колебания.

Рис. 4.14. Релаксационный генератор на КМОП ИС.

Иногда встречается аналогичная схема, но при перемене местами элементов R₂ и С. Хотя это

превосходный генератор, но он имеет более зашумленный выходной сигнал.

Рис. 4.15. Управляемый релаксационный генератор

Представленная на рис. 4.15 схема имеет более низкий уровень шума и, кроме того, имеется возможность модулиро­вать выходную частоту с помощью внешнего тока, прикладываемого к базе тран­зистора T1. В этой схеме транзистор T1 функционирует как интегратор, выраба­тывая на своем коллекторе сигнал асим­метричной треугольной формы. Сами же инверторы работают в качестве неинвертирующего компаратора, изменяя поляр­ность возбуждения на базе каждые пол­периода. Эта схема имеет плотность шу­ма —90 дБ/Гц измеренную на частоте 100 Гц смещения от несущего колебания 150 кГц, и —100 дБ/Гц. измеренную при смещении 300 Гц. Хотя эти схемы превосходны в отношении уровня боково­го шума, генерируемая частота имеет большую чувствительность к колебаниям напряжения источника питания, чем дру­гие рассмотренные в ранее генерато­ры.

На рис.4.16. приведе­ны принципиальная схе­ма (а) и временные диа­граммы работы (б) жду­щего мультивибратора на логических микросхемах, реализующих функцию И-НЕ.

В исходном состоянии на выходе элемента Э1 имеем высокий уровень напряжения U¹вых (логи­ческую единицу), так как резистор подключен к ну­левой шине и уровень напряжения на входе Э₁ определяется падением напряжения на резисторе R U_R = I⁰вых R от входного тока микросхемы. Это падение напряжения должно быть меньше порогового напряжения U_nopcx, Тогда при высоком уровне напряжения U¹вх на входе 1 микросхемы Э₂ на ее выходе создается низкий уровень напряжения U_{вых 2} = U⁰_вых (логический нуль). При поступлении на вход 1 элемента Э₂ напряжения U⁰bx (момент времени t₁) на ее выходе устанавливается уровень напряжения, соответству­ющий логической единице. Возникший при переклю­чении микросхемы Э₂ скачок напряжения U¹вых — U⁰вых = U _лог передается через конденсатор С на вход микросхемы Э₁ и переключает ее в состояние логического нуля, когда U_{вых t} = U°вых.

После момента времени t₁ конденсатор С заря­жается по экспоненте с постоянной времени  = RC, а напряжение и_вх1 падает с той же постоянной.

Мультивибратор находится в квазиустойчивом состоянии.

Возвращение сигнала и_вх на входе 1 микросхем Э₂ к прежнему уровню (логической единице) приводит к изменению ее состояния, так как на входе 2 микросхемы после момента времени t1 устанавливается логический нуль (U₂ = U_вых1 = U⁰ вых).

В момент времени t₂, когда U_{BX 1} достигает порогового уровня напряжения U_nopсх, происходит переключение Э1 и соответственно Э₂. Мультиви­братор возвращается в исходное состояние.

Для предотвращения отрицательного выброса на­пряжения U вх1 в момент времени t₂ и уменьшения таким образом времени восстановления исходного состояния схемы резистор R шунтируют диодом VD

Длительность выходного импульса при R>>R^l_Bых определяется из формулы

Одновибраторы позволяют из импульсов любой формы и длительности получить импульс, имеющий строго постоянные длительности и величину.

Промышленность выпускает специальные микросхемы одновибраторов с расширенными функциональными возможно­стями, например 155АГ1, 155АГЗ.