6.2.4 Автоколебательный мультивибратор на логических элементах

Мультивибраторы на операционном усилителе имеют ограниченный частотный диапазон из-за сравнительно низкого быстродействия операционного усилителя. Применение логических элементов позволяют получить частоты генерации до единиц гегогерц. Существует множество схем мультивибраторов на логических элементах, ограничимся одной, приведенной на рис. 6.10.

Рис. 6.10 Автоколебательный мультивибратор на логических элементах

Временные диаграммы напряжений МВ приведены на рис. 6.11.

Рис. 6.11 Временные диаграммы напряжений мультивибратора

Будем считать, что переключение логических элементов происходит при напряжении равном половине питания, уровень логической единицы равен напряжению питания, уровень логического нуля совпадает с потенциалом общей точки, что справедливо для КМОП логики.

Исходное состояние логических элементов после подачи напряжения питания может установиться в одно из двух состояний. Предположим, что в начальный момент напряжение на конденсаторе С1 равно нулю, напряжение U₁ равно единице, соответственно напряжение U_ВЫХ равно нулю. Конденсатор заряжается по цепи . Напряжение на входе элементаDD1 повторяет напряжение конденсатора С1 (сопротивление R2 много меньше входного сопротивление логического элемента КМОП типа).

Когда напряжение конденсатора достигнет порога переключения логического элемента DD1, равного , элементDD1 переключится, его нулевое выходное напряжение приведет к переключению элемента DD2, что вызовет скачок напряжения на входе элемента DD1. Схема перейдет в новое состояние: на выходе элемента DD1 логический ноль, на выходе элемента DD2 логическая единица. Напряжение . Конденсатор перезаряжается по цепи. Когда напряжениеU3 достигнет порога переключения, схема вернется в начальное состояние: на выходе элемента DD1 логическая единица, на выходе элемента DD2 логический ноль. Конденсатор начнет заряжаться по цепи , то есть процесс повторяется бесконечно.

Импульс и пауза имеют одинаковую длительность, которую определим по времени перезаряда емкости от напряжения до напряжения, при перепаде напряжения

, отсюда

, соответственно

, . (6.16)

Входы логических элементов КМОП типа защищены по входу на уровне питания защитными диодами. Чтобы заряд конденсатора, когда , не вывел защитные диоды из строя, установлен резистор. Резистори защитные диоды дополнительно разряжают конденсаторС₁ при , соответственно, формула (6.16) дает приближенное (больше реального) значение длительности периода.

При использовании в мультивибраторе TTЛ-логики, для расчета длительности периода используют номограмму, так как невозможно получить точные расчетные соотношения.

6.2.5 Генератор треугольного и прямоугольного напряжения

Функциональная схема генератора на операционных усилителях приведена на рис. 6.12,а, принципиальная схема приведена на рис. 6.12,б.

а) б)

Рис. 6.12 Генератор периодических сигналов:

а) – функциональная схема; б) – принципиальная схема.

На операционном усилителе DA1 собран неинвертирующий компаратор с петлеобразной характеристикой. Компаратор имеет симметричные напряжения переключения , где- напряжение насыщения ОУ.

На операционном усилителе DA2 собран инвертирующий интегратор с постоянной интегрирования .

Временные диаграммы напряжений генератора приведены на рис. 6.13.

Рис. 6.13 Временные диаграммы напряжений генератора

Пусть в момент подачи напряжения питания на выходе компаратора напряжение равно . Инвертирующий интегратор интегрирует положительное напряжение с обратным знаком. Когда его напряжение достигнет отрицательного порога переключения, компаратор переключится, его выходное напряжение и направление интегрирования изменят знак. Теперь переключение компаратора произойдет при положительном напряжении переключения, и процесс опять пойдет в обратном направлении.

Длительность импульса найдем, учтя изменение напряжения на выходе интегратора отдо.

, отсюда

. (6.17)

Если схема симметрична, то , и частота автоколебаний равна

. (6.18)

Следует отметить, что схема формирует пилу с хорошими линейными фронтами, одновременно формируя прямоугольное напряжение, то есть схема может рассматриваться и как мультивибратор.

Если схему сделать несимметричной, взяв постоянные интегрирования разные для положительного и отрицательного напряжения, то пила станет несимметричной. Если один из фронтов пилы будет много длиннее чем второй, то такую схему называют генератором линейно изменяющегося напряжения или сокращенно ГЛИН. Несимметричная схема генератора пилообразного напряжения и ее временные диаграммы приведены на рис. 6.14.

а) б)

Рис. 6.14 Несимметричный генератор пилообразного напряжения:

а) – принципиальная схема; б) – временные диаграммы напряжений.

При положительном напряжении U₁ открыт диод VD1, при отрицательном напряжении U₁ открыт диод VD2. Сопротивление , поэтому интегрирование в сторону отрицательного напряжения идет значительно быстрее.

, . (6.19)

Генераторы пилообразного напряжения применяются в схемах широтно-импульсной модуляции, а ГЛИН применяются для формирование разверток в осциллографах, аналоговых дисплеях, телевизорах.