Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные цепи и микросхемотехника. Импульсные и цифровые устройства. Конспект лекций. Учебное пособие
.pdf
2.2.8. МУЛЬТИВИБРАТОР НА ОУ
R
Схема мультивибратора и принцип его работы приведены соответственно на рис. 2.16 и 2.17.
UМ(+)
R1
R2
tи1
UВ
С1
UА
R3
А1
U
BЫХ
UМ(-)
bUМ(+)
bUМ(-) UC1
t1
0
tи2
UR3
t2
Рис. 2.16 Рис. 2.17
Рассмотрим интервал времени
0...t
. Предположим, что в момент
1
t = 0 выходное напряжение скачком изменяется от отрицательного зна-
чения к положительному, равному
U
и определяемому амплитуд-
()М
ной характеристикой ОУ. Усилитель при этом окажется в неактивном
,RC
режиме. По каналам отрицательной обратной связи (цепь
ложительной (цепь
,RR
) выходной сигнал передается на инвертиру-
23
) и по-
11
ющий и неинвертирующий входы ОУ. Так как канал положительной обратной связи является безынерционным, а по каналу отрицательной обратной связи сигнал передается с задержкой, то в момент скачка преобладающую роль играет положительная обратная связь, которая и определяет уровень и знак выходного напряжения.
равная
bU
, действует на неинвертирующем входе ОУ.. Здесь
()M
Часть этого напряжения,
R
3
b
На инвертирующем входе напряжение в интервале
постоянным, а меняется от начального уровня
. (2.31)
R
23
0...t
не остается
1
bU
(как результат
()M
61
предыдущего этапа работы), стремясь к максимальному уровню
B
R
до которого может зарядиться конденсатор С
U
напряжений
U
и
A
на входах ОУ сделается достаточно малой, чтобы
. В момент t1 разность
1
U
()M
усилитель, обладающий большим коэффициентом усиления, перешел в
активное состояние.
Замыкаются цепи обратной связи, возникает лавинообразный процесс опрокидывания, и усилитель принимает новое состояние, в котором выходное напряжение равняется максимальному отрицательному
значению
В момент
U
.
()M
t
возникает аналогичная ситуация, т. е. начинается пе-
2
риодический процесс формирования прямоугольного выходного
напряжения.
Найдем основные параметры выходных импульсов мультивибратора.
1. Амплитуда импульсов. Этот параметр определяется максимальными значениями положительного и отрицательного уровней выходного напряжения, приведенными в справочной литературе и обозначенными через
U
и
U
()M
, зависящими от источника питания ОУ.
()M
2. Частота повторений импульсов. Запишем закон изменения напряжения в конденсаторе
C
в интервале времени
1
0...t
:
1
,
t
1
UbU
. (2.32)
и заканчива-
()1СМ
В момент
UbUeU e
cMtM
tt
реализуется равенство
1
)()1(
ется формирование длительности импульса положительной полярности. Из выражения (2.32) получим
U
()
M
b
U
b
U
, (2.33)
()
M
()
M
где
1
UbU U
ln ln
t
1
и
C
– постоянная времени времязадающей цепи.
11
UbU
() () ()
MM M
() ()
MM
62
1
Из таких же соображений рассчитывается длительность отрицатель-
ного перепада на выходе схемы:
U
()
M
1
ln
t
и2
1
b
U
()
M
U
b
U
. (2.34)
()
M
()
M
Период импульсных колебаний представляет сумму длительностей,
и, полагая одинаковыми абсолютные значения
tt
и1 и2
, а также значения периода и частоты:
1
Tt t
и1 и2
2ln
1
UU, получим
b
; (2.35)
b
)(–(),ММ
f
2ln
1
. (2.36)
1
b
1
b
3. Длительности фронтов нарастания и спада. Реальный переход
мультивибратора на ОУ из одного состояния в другое происходит не
мгновенно, а за конечное время, определяемое скоростью изменения
выходного напряжения V, В/мкс.
VD
1
VD
2
R
U
С
2
В
1
R
3
U
А
R
Рис. 2.18
63
А
1
U
BЫХ
4
R
1
Для рассматриваемой задачи, когда выходное напряжение претерпе-
2МU
вает близкое к
изменение, длительности фронта нарастания и
фронта спада достаточно близки и могут быть представлены соотношениями
tt UV . (2.37)
фн ac
2/
М
Чтобы получить импульсы с разной скважностью, можно использо-
вать схему (рис. 2.18), где диоды
ной постоянной времени
1112 21
1VD
и(tRCt RC
и
2VD
разделяют цепи с различ-
), за счет чего можно ме-
нять не только частоту генерируемых импульсов, но и скважность.
2.2.9. МУЛЬТИВИБРАТОР С МОСТОВЫМ
ВРЕМЯЗАДАЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ
Принципиальная схема генератора и поясняющие ее работу диа-
граммы напряжений приведены на рис. 2.19 и 2.20.
U
М(-)
2
1
t
ВЫХ
и1
U
U
t
и2
А
t
2
1
t
В
U
С
U
М(+)
1
2СR
А
1
U
В
U
R
А
2
1
U
BЫХ
U
U
t
t
Рис. 2.19 Рис. 2.20
Принцип работы схемы аналогичен рассмотренному выше в схеме
рис. 2.16. Основное отличие состоит в построении канала положительной обратной связи. Здесь она реализуется с помощью ускоряющей
,.CR
цепи
22
64
Как видно из диаграмм (рис. 2.20), напряжения
B
B
R
B
U
U
и
А
встреча-
ются в более выраженных точках пересечения и под более острым углом, чем в предыдущей схеме. Данная схема имеет более стабильную
частоту формируемого напряжения.
Выберем значения резисторов и конденсаторов передающих звеньев
U
U
,
одинаковыми. Тогда аналитические выражения напряжений
0...t
входах ОУ на интервале времени
UUeU e
(2)
UUUe
AM
BM
1
запишутся в виде
1
t
1
tt
, (2.38)
1
. (2.39)
на
А
Здесь
CRC
11 2 2
. Предполагается, что амплитуды перепадов оди-
наковы.
U
В точках t = t
и t2 напряжения
1
U
и
А
становятся равными и схема
переходит в новые состояния. Приравнивая (2.38) и (2.39), получим значение длительности положительного перепада:
ln3t
и1
. (2.40)
Cимметрия схемы позволяет также записать
и2
ln 3.t
(2.41)
Период колебаний и частота соответственно оказываются равными:
T = 2ln3, (2.42)
f = 1/2ln3. (2.43)
Рассмотренные выше схемы мультивибраторов привлекают своей
простотой, надежностью, более высокой стабильностью частоты генерируемых импульсов (особенно в схеме с времязадающим мостом, где
нестабильность частоты лежит в пределах 1…2 % в широком диапазоне
изменений окружающей температуры), чем транзисторные схемы.
Схема рис. 2.16 более
гибка с точки зрения регулирования частоты,
легко переводится в ждущий режим (для этого достаточно включить
С
диод параллельно конденсатору
, а импульс запуска подать на неин-
1
вертирующий вход).
65
Обратим внимание на наличие в обеих схемах как дифференциаль-
М
М
М
М
ного, так и синфазного сигналов между входами ОУ, принимающих
максимальные значения:
в схеме рис. 2.16
в схеме рис. 2.19
UbU ,
UU ,
диф
диф
2
2,5
UbU ,
М
М
синф
UU .
синф
0,5
М
М
Превышение этих значений является недопустимым и должно учитываться при проектировании схемы.
2.2.10. МУЛЬТИВИБРАТОР НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ
Мультивибраторы, к стабильности частоты которых не предъявляются жесткие требования, часто выполняют на логических ЛЭ.
Такие схемы легко сопрягаются с другими схемами в цифровых
устройствах при использовании логических элементов типа инверторов.
Схемотехнические решения мультивибраторов на логических элементах достаточно разнообразны, некоторые по своему построению
близки к транзисторным, другие учитывают специфические особенности
микросхем.
Простая схема мультивибратора, собранная на двух инверторах,
приведена на рис. 2.21.
С
U
U
1
&
D
1
2
&
D
U
2
BЫХ
R
Рис. 2.21
Решающими факторами здесь являются совместимость логических
уровней используемых микросхем, их время переключения, заметно
меньшее по сравнению с ключами на дискретных транзисторах.
D
Инвертор
стор R. Это делается с целью вывода рабочей точки инвертора по по-
стоянному току на линейный участок передаточной характеристики.
охвачен отрицательной обратной связью через рези-
1
66
Сопротивление этого резистора для схем ТТЛ лежит в пределах нескольких сотен ом, а для схем серии КМОП – десятки и сотни килоом (кОм).
Положительная обратная связь осуществляется через конденсатор С
D
с выхода инвертора
.
2
Электрические процессы в схеме иллюстрируются диаграммами
t
рис. 2.22. Пусть до момента
выходное напряжение инвертора
1
нимает минимальное значение (логический ноль), а инвертора
симальное (логическая единица). Напряжение
времени изменяется, достигая в момент
t
U
на этом интервале
1
порога срабатывания
1
D
D
1
при-
2
– мак-
U
п0
Оба инвертора быстро переключаются, а состояния их выходов меняются
на противоположные. Положительный перепад напряжения на вы-
ходе
D
передается на вход микросхемы
2
D
и поддерживает новое со-
1
стояние до тех пор, пока в результате заряда конденсатора С уровень
U
напряжения
уровня
U
п1
не снизится до порога срабатывания единичного
1
в момент
t
. Инверторы вновь примут свое исходное состоя-
3
ние, и далее процесс примет автоколебательный периодический характер.
U
ВЫХ
U
t
t
1
2
и1
t
и2
t
t
2
t
3
.
U
U
U
П1
П0
t
1
t
Рис. 2.22
67
Проведем приближенный расчет длительностей tи1, tи2, предположив,
что выходные сопротивления инверторов достаточно малы, уровень логического нуля близок к нулю, уровень логической единицы обозначим
через
что, как правило, выполняется. Тогда на интервале
1
U , пороговые значения напряжений примем
UU
() (0)
ln ln ln 3 1,1
t
и1
UU
() п1
После изменения значения
01,5
00,5
U
от единицы к нулю конденсатор С
вых
1
U
1
U
П1 П0
tt
12
. (2.44)
начинает перезаряжаться под действием единичного уровня
хода микросхемы
D
, что позволяет получить выражение для
1
11
(0,5 )
UU
ln ln 3 1,1
t
и2
1
UU
п0
. (2.45)
U с вы-
t
и2
0,5UU U ,
1
:
1
Сумма длительностей определит период колебаний и обратную ему
величину – частоту следования импульсов:
12
2, 2 2, 2Tt t RC
, (2.46)
f = 1/T.
Но коэффициент при RC зависит от типа используемого логического
элемента и имеет приблизительное значение.
Пример построения схемы ждущего мультивибратора (одновибратора) и поясняющие его работу диаграммы показаны на рис. 2.23, а и б.
Активную базу схемы составляют двухвходовые инверторы
,DD
12
(за основу выбрана серия микросхем типа КМОП). До прихода входного
сигнала (единичного уровня) выходные напряжения инверторов
,DD
12
соответствуют значениям логической единицы и логического нуля. Ле-
С
вая и правая обкладки конденсатора
имеют близкие высокие потен-
1
циалы, т. е. напряжение на нем близко к нулю. Приход запускающего
импульса
инвертора
U
переводит
вх
D
обратный скачок напряжения вызывает переход этого
2
D
в нулевое состояние, а возникший на входе
1
элемента в состояние логической единицы. Новое состояние схемы
68
будет продолжаться до тех пор, пока в результате заряда конденсатора
R
E
Е
С
через резистор
1
батывания
U
напряжение на входе
1
и выполнения условий самовозбуждения схемы. Итогом
п0
D
не достигнет порога сра-
2
этого процесса станет возврат схемы в свое начальное состояние.
Е
П
R
U
BХ
U
D
1
1
ВХ
U
С
1
U
2
а
1
U
1
U
BЫХ
2
D
t
U
1
t
U
U
2
0П
tи
Е
П
t
U
вых
t
б
Рис. 2.23
Длительность выходного импульса определяется выражением
0
U
ln
69
п
U
пп0
. (2.47)
tRC
и
Лекция № 9
Е
R
M
I
2.2.11. БЛОКИНГ-ГЕНЕРАТОР
Схема блокинг-генератора представляет собой однокаскадный
усилитель с трансформаторной положительной обратной связью
(рис. 2.24, а).
Схема позволяет передавать в нагрузку мощность, на несколько порядков большую, чем мощность, рассеиваемая в транзисторе. Существенная роль принадлежит здесь трансформатору, обеспечивающему
необходимую связь и согласование выходной цепи с цепями управления
и нагрузки, позволяющему преобразовать постоянное напряжение низкого уровня в напряжение более высокого уровня, осуществлять гальваническую развязку нагрузок
Рассмотрим принцип работы блокинг-генератора (БГ). Пусть до момента времени
крыт. Это состояние не может длиться бесконечно долго, поскольку
конденсатор
через резистор
рающее транзистор (примем порог отпирания близким к нулю), и в коллекторной цепи появится ток
ния на первичной обмотке
ной связи между обмотками
базы транзистора, и при обозначенном на схеме способе включения обмоток вызовет еще большее увеличение тока коллектора. Возникает уже
известный нам регенеративный процесс, который удобно изобразить в
виде замкнутой последовательности событий:
.
t
транзистор VT1 по определенным причинам был за-
1
С
заряжается от источника
1
начинает подаваться положительное смещение, отпи-
1
i
, который вызовет изменение напряже-
1k
w
трансформатора ТР. Благодаря индуктив-
1
w
w
и
1
это изменение передается в цепь
2
, и в момент
п
t
в цепь базы
1
uiiuu u u
бб 12б
kkw w
.
Процесс этот происходит очень быстро, и к моменту его окончания
формируются максимальные значения токов базы и коллектора
I
(
). При правильном выборе значений элементов схемы транзи-
кб,M
стор окажется в режиме насыщения с близким к нулю остаточным
напряжением на коллекторе (рис. 2.24, б).
t
Начиная с этого момента (практически совпадающего с моментом
)
1
происходит формирование плоской вершины импульса на нагрузке.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]