3. Методичні вказівки до проектування мультивібраторів на основі інтегральних схем

Мультивібратори використовують як генератори прямокутних імпульсів у тих випадках, коли не висунуті жорсткі вимоги до стабільності їхніх параметрів. Мультивібратори розподіляються на автоколивальні та загальмовані. Автоколивальний мультивібратор генерує послідовність прямокутних імпульсів із заданою тривалістю, амплітудою та частотою повторення. Загальмований (чекаючий) мультивібратор у відповідь на запускаючий імпульс генерує один прямокутний імпульс, після чого знову повертається у початковий стан. Мультивібратори можуть будуватися на базі спеціальних ІС (наприклад, серії 119 і 218), логічних ІС, операційних підсилювачів та інших. Нижче будуть розглянуті методики розрахунку мультивібраторів на базі серій 119, 218 і на логічних елементах.

У складі серій ІС 119 і 218 є спеціальні імпульсні генератори, до яких відносяться автоколивальні (із самозбудженням) й загальмовані, а також елементи блокінг-генераторів без імпульсних трансформаторів. Мульти­вібратори в інтегральному виконанні виконані за схемами мультивібраторів на транзисторах і містять, крім основних, елементи корекції форми імпульсів, елементи, необхідні для вимкнення режиму насичення, тобто, жорсткого режиму самозбудження, а також захисні діоди. Деякі мультивібратори в інтегральному виконанні можуть працювати без додаткових часозадаючих конденсаторів, інші потребують обов’язкового їхнього ввімкнення.

3.1. Методика розрахунку автоколивальних мультивібраторів на базі спеціальних інтегральних схем

Автоколивальний мультивібратор в інтегральному виконанні, виконаний аналогічно симетричному мультивібратору з колекторно-базовими позитив­ними зворотними зв’язками, схема якого зображена на рис. 3.1, а.

Зворотні зв’язки транзисторних каскадів здійснюються через конденсатори C1 i C2. Симетрія мультивібратора полягає в тому, що RK1=RK2; R1=R2; C1=C2, а транзистори VT1 i VT2 відносяться до однієї групи і мають близькі параметри. Принцип роботи мультивібратора полягає в наступному. У встановленому режимі автоколивань транзистори VT1 i VT2 періодично відкриваються і закриваються. Нехай, наприклад, у момент часу t=0 (рис. 3.1, б) транзистор VT1 закривається, а транзистор VT2 відкривається. Конденсатор C1 – заряджений, а C2 – розряджений, при цьому конденсатор C1 буде розряджатися через транзистор VT2, що відкрився (ділянка колектор – база, що має малий опір у відкритого транзистора), джерело живлення E_к i резистор R1.

Рис. 3.1. Симетричний мультивібратор:

а – принципова схема; б – часова діаграма

Оскільки потенціал колектора відкритого транзистора незначний, то можна вважати що транзистор VT1 при розряді конденсатора C1 утримується в зачиненому стані напругою U_C1 на цьому конденсаторі (U_Б1=U_C1). З огляду на те, що розряд конденсатора відбувається через джерело живлення E_к, конденсатор C1, розряджаючись, прагне перезарядитися до напруги +E_к. Процес заряду конденсатора C1 закінчується в момент часу t_U1, при якому напруга U_C1, і отже – напруга U_Б1 досягне напруги відмикання транзистора VT1, що приблизно дорівнює нулю. Після відмикання транзистора VT1 починається стадія перевертання мультивібратора та перехід транзистора VT2 в режим відсікання. Далі описані процеси повторюються.

З рис. 3.1, б видно, що на колекторі замкненого транзистора VT1 утворюється імпульс напруги, в якого порівняно тривалий фронт, який має експоненціальну форму. Наявність такого фронту пояснюється тим, що при замиканні транзистора VT1 здійснюється заряд конденсатора C2 через резистор R_к1 і ділянку база – емітер транзистора VT2. Якщо врахувати, що в кінці попереднього розряду на конденсаторі C2 була майже нульованапруга, а опір ділянки база – емітер транзистора VT2, що відкрився, набагато менше опора R_к, то можна вважати, що початкова напруга на колекторі транзистора, який закривається, лизька до нуля. При цьому майже вся напруга джерела живлення E_к припадає на резистор R_к1. Струм розряду в цей момент часу приблизно дорівнює E_к/R_к1 і в міру зарядження конденсатора C2 зменшується, прагнучи до нуля. Напруга на колекторі замкненого транзистора VT1 практично дорівнює напрузі зарядженого конденсатора C2. Для зменшення часу фронту імпульсу необхідно зменшити сталу часу кола заряду конденсатора C2.

Для зменшення сталої часу кола заряду конденсатора C2 послідовно з ним можна ввімкнути коректуючий діод VD1 (рис. 3.2, а), який не пропустить струм через резистор. Для забезпечення процесу зарядження конденсатора C2 в схему мультивібратора додатково вводиться зарядний резистор RЗ. Для зменшення часу перемикання транзисторів VT1 i VT2 з насиченого стану в режим відсікання колекторного струму необхідно створити ненасичений режим роботи транзисторів. Для цього в схему мультивібратора вводяться нелінійні від’ємні зворотні зв’язки, які створюються за допомогою діода VD3 і дільника напруги R1R3R5 та VD4 з дільником R2R4R6 (рис. 3.2, а). При замкненому транзисторі VT1 діод VD3 теж замкнений і не впливає на процеси, що протікають у мультивібраторі. При відкритті транзистора VT1 діод VD3 замкнений доти, доки напруга, що зменшується, буде дорівнювати умові: U_R1<U_Д(VD3). При відмиканні діода VD3 між базою і колектором транзистора VT1 утворюється коло від’ємного зворотного зв’язку, яке перешкоджає подальшому

Рис. 3.2. Автоколивальний мультивібратор серії 119:

а – принципова схема автоколивального мульти­вібратора; б – еквівалентна схема розряду конден­сатора С1; в – функціональна схема мульти­вібратора на мікросхемі 119ГФ2

зменшенню напруги UR1 та переходу транзистора VT1 в насичений стан. Насичення буде виключене, якщо напруга на резисторі R3 буде більше, ніж напруга на відкритому діоді VD3. У цьому випадку колекторний перехід VT1 залишається зсунутим у зворотному напрямку. За цією схемою виконаний автоколивальний мультивібратор серії 119 (рис. 3.2, а).

Для обчислення періоду коливань цього мультивібратора необхідно використовувати еквівалентну схему розряду конденсатора C1 (рис. 3.2, б). При складанні цієї схеми не враховуються малі струми закритих транзистора VT1 і діода VD3.

Напруга на відкритому відсічному діоді правої половини схеми мультивібратора і на відкритому транзисторі VT2 на схемі (рис. 3.2, а) враховані джерелом 2U_D, де U_D – напруга на відкритому діоді (на ділянці колектор – емітер). Початкова напруга на конденсаторі C1, що зарядився:

U_c(0)= E_к – U_D ,

де під U_D розуміється напруга на ділянці база – емітер, через яку заряджається конденсатор.

Згідно з еквівалентною схемою, конденсатор при розряді перезаряджається до напруги

U_c( )= –E_к._екб +2U_D ,

де E_к._екб = E_кR5/(R1+R3+R5).

Тривалість імпульсу

t_и =_P1 ln [1+(1–3)(R1+R3+R5)/R5], (3.1)

де _P1=C1R5(R1+R3)/(R1+R3+R5);  = U_D/E_к.

При типових параметрах мультивібратора із самозбудженням серії 119 і значеннях параметрів R1=1 кОм, R3=10 кОм, R5=10 кОм, RK=3 кОм, RЗ=3 кОм, E_к=3 B, U_D=0,6 B, згідно з виразом (3.1) отримаємо

t_и=3,5∙10³ C , (3.2)

T=7∙10³ C , (3.3)

де t і T – в мікросекундах, якщо C у мікрофарадах.

Функціональна схема мультивібратора на мікросхемі 119ГФ2 наведена на рис. 3.2, в.

Ємність С симетричного мультивібратора при заданому періоді розраховується згідно з виразом (3.3). Так, при Т = 103 мкс

C=103/ 7 ∙ 103 0,14 мкФ.

Для виключення пробою транзисторів паралельно ділянці база-емітер транзистора вмикається захисний діод VD5 (рис. 3.3, а), який відмикається при замиканні транзистора і обмежує напругу на базі. Ліву обкладку конденсатора C1 небажано підключати до бази транзистора, оскільки конденсатор швидко розрядився б через відкритий діод VD5. Для запобігання цьому нижні кінці резисторів R5 і R6 підключаються не до корпуса (як у схемі 3.2, а), а до баз транзисторів VT1 i VT2. Режим насичення транзисторів буде виключений, якщо напруга на відкритому діоді VD5 менше напруги на резисторах R3 i R5.

Описаний вище спосіб захисту транзисторів показаний у схемі мультивібратора із самозбудженням серії 218 (рис. 3.3, а). Для визначення періоду коливань розглядуваного мультивібратора звернемось до еквівалентної схеми розряду конденсатора C1 (схема розряду конденсатора C2 аналогічна), наведену на рис. 3.3, б. Транзистор VT1 буде відмикатися в момент, коли ліва обкладка конденсатора C1 буде мати потенціал, близький до нуля.

У момент закінчення процесу розрядження, тривалість якого дорівнює тривалості імпульсу t_и, напруга на конденсаторі

U_c(t_U)=2U_D.

Конденсатор при розряді згідно з еквівалентною схемою прагне перезарядитися до напруги

U_c( )= E_к –[( E_к+ U_D )R5/(R1+R3+R5) – U_D]+2U_D .

Початкова напруга на конденсаторі, що розряджається

U_c(0)= E_к –( E_к–U_D )R5/(R1+R3+R5) +U_D .

Тоді тривалість імпульсу можна визначити з виразу

,

де _P1=C1(R1+R3)R5/(R1+R3+R5),  = U_D/ E_к .

Тривалість імпульсу не буде залежати від U_D при R1, R3 і R5, що забезпечують рівність нулю чисельника дробу під знаком логарифма:

,

звідки

.

Період коливань при симетрії схеми дорівнює T=2t_и.

Функціональна схема автоколивального мультивібратора з навісними часозадаючими конденсаторами C1 і C2 наведена на рис. 3.3, в .

Рис.3.3. Мультивібратор серії 218ГФ1:

a – принципова схема мультивібратора з само­збудженням серії 218ГФ1;

б – еквівалентна схема роз­ряду конденсатора;

в – функціональна схема муль­тивібратора на мікросхемі 218ГФ1

Рис. 3.4. Загальмований мультивібра­тор серії 119ГФ3: а – прин­ципова схема загальмо­ваного мульти­вібратора; б – функціо­нальна схема мульти­вібратора на мікросхемі 119ГФ3; в – часова діаграма