1.3. Мультивибраторы на илэ

В практической схемотехнике применяют две разновидности автоколебательных МВ с использованием переключающих свойств ИЛЭ типа И-НЕ или ИЛИ-НЕ: симметричного и несимметричного вида.

В этих схемах два инвертора на ИЛЭ соединены между собой широкополосной положительной обратной связью (ПОС) через укорачивающие времязадающие (RС) цепи.

1.3.1. Мультивибраторы симметричного вида

Такие мультивибраторы могут быть выполнены на основе ИЛЭ как выполняющих логические операции ИЛИ-НЕ (РТЛ, РЕТЛ (РСТЛ), ЭСЛ-схемы), так и И-НЕ (ДТЛ, ТТЛ-схемы). По этой причине принципы работы мультивибраторов на ИЛЭ с различными логическими операциями будут отличаться друг от друга и их нельзя считать универсальными.

Так как современная элементная база в основном использует ИЛЭ с ТТЛ (ДТЛ) схемами, то вначале рассмотрим работу и основные параметры одной из схем симметричного мультивибратора на логических элементах И-НЕ.

С хема автоколебательного симметричного мультивибратора на ИЛЭ ДТЛ (ТТЛ) с дополнительным источником смещения Е_СМ и временные диаграммы работы схемы приведены на рис. 4.9.

В этой схеме два ИЛЭ типа 3И-НЕ соединены между собой двумя петлями широкополосной ПОС (R₁-С₁, R₂-С₂), образующих кольцо. Свойства и параметры цепей ПОС определяются значениями величин конденсаторов С₁, С₂ и резисторов R₁, R₂: они же определяют свойства и параметры схемы МВ.

Работа схемы МВ характеризуется длительностями переходных процессов двух состояний квазиравновесия, при которых выходы ИЛЭ имеют противоположные состояния.

Для большей наглядности и упрощения анализа работы МВ на рис. 4.9 представлены упрощённые электрические схемы трёхвходовых логических элементов 3И-НЕ ДТЛ схемы (например, микросхема 121 серии К1ЛБ212А, Б).

Будем считать, что в начальный момент времени t₀=0 элемент DD1 закрыт, а DD2 открыт и напряжения на их выходах будут соответствовать логическим уровням: , . При этих состояниях на выходах ИЛЭ, будет происходить зарядка конденсатора С₁ от дополнительного источника смещения Е_СМ, через резистор R₁ и выходное сопротивление элемента DD2.

Напряжение на входе закрытого ИЛЭ DD1 будет меняться согласно выражению:

,

где напряжение на конденсаторе С₁ до переключения, то есть когда на выходе ИЛЭ DD2 напряжение было равным , а на выходе ИЛЭ DD1 .

Значение можно найти из уравнения определяемого суммой падений напряжений в замкнутой цепи конденсатора С₁:

Откуда

При равенстве , и пренебрегая составляющей (для ТТЛ 133и К155 серий (ДТЛ) входной ток логической единицы ), значение напряжения будет равно:

.

Происходящая зарядка конденсатора С₁ на участке t₀ – t₁ (см. рис. 4.9) изменяет величину напряжения на входе ИЛЭ DD1 от величины до нового значения ,

где - ток зарядки конденсатора;

- постоянная времени зарядки конденсатора.

В результате переключения ИЛЭ DD1 (и DD2) на конденсаторе С₁ будет изменяться напряжение величина которого будет определять изменение перепадов напряжений на входе ИЛЭ DD1 при переключениях.

Считая, что напряжение на конденсаторе С₁ не меняется в процессе регенерации, то есть , можно записать:

Абсолютная величина этого перепада напряжения будет равна:

,

Перепад напряжений вызывает изменение токов при зарядке-разрядке конденсатора С₁, которые будут определять длительности импульса и стадии восстановления:

,

где - выходные сопротивления ИЛЭ DD2 принимающего значения и при зарядке-разрядке конденсатора С₁.

Ток при зарядке больше тока разрядки, так как:

.

С учётом изложенного, изменение напряжения на входе ИЛЭ DD1 на временном участке t₀-t₁ будет равно:

Упрощая анализ работы и получаемых выражений для длительностей стадий квазиравновесий, принимаем значения уровней пороговых напряжений равными ( ) при которых происходит изменение уровней выходного напряжения ИЛЭ при переключениях; тогда как .

Приравнивая изменение на входе ИЛЭ DD1 к величине уровня , получим уравнение, решение которого даёт выражение для определения длительность первой стадии квазиравновесия:

Откуда длительность выходного импульса:

.

После окончания действия ИЛЭ DD1 выходит в активную область и начинается процесс регенерации схемы, после чего начинается вторая стадия квазиравновесия, определяемая зарядкой конденсатора С₂.

Длительность этой стадии определяется аналогично первой и будет равна:

,

где , - постоянные времени зарядки конденсаторов С₁ и С₂. Если , тогда будут равны .

Во время зарядки конденсатора С₂ происходит перезарядка конденсатора С₁ до своего начального значения, то есть до уровня .

Перезарядка характеризуется изменением напряжения на входе и длительностью стадии восстановления:

Перезарядка закончится, когда будет .

Длительность восстановления определяется выражением:

.

Для уменьшения стадии t_ВОС резисторы R₁ и R₂ шунтируют обратносмещёнными диодами. При этом повышается стабильности работы схемы мультивибратора и уменьшаются выбросы выходного напряжения у ИЛЭ.

На рис. 4.9 принципиальной схемы мультивибратора показаны: цепь зарядки конденсатора С₁ и цепь разрядки конденсатора С₂. Зарядка С₁ ( ) происходит через резистор R₁ и выходное сопротивление открытого ИЛЭ DD2.

Максимальное напряжение на конденсаторе будет равно:

.

Разрядка (t_ВОС) конденсатора С₂ происходит через выходное сопротивление выходным током закрытого ИЛЭ DD1 и резистор R₂.

Рассмотренные симметричные мультивибраторы обладают явлением "засыпания" и относятся к схемам с жёстким запуском, то есть требуют внешнего воздействия, например переключения напряжения источника питания. Поэтому практические схемы МВ имеют дополнительные ИЛЭ исключающие жесткий запуск.

В том случае, если используются ИЛЭ выполняющие логические операции ИЛИ-НЕ (РТЛ, РЕТЛ (РСТЛ), ЭСЛ-схемы), то работа и основные зависимости для такого мультивибратора (рис. 4.10) будут определяться стадиями квазиравновесных состояний и параметров применяемых ИЛЭ.

В качестве примера рассмотрим работу МВ на логических элементах РЕТЛ реализующих логическую функцию 3ИЛИ-НЕ 110 серии (1ЛБ102А, Б). Основные параметры ИЛЭ следующие: , ; напряжение статической помехи , . Кроме элементов РЕТЛ логические функции ИЛИ могут выполнять ИЛЭ ЭСЛ, РТЛ и МОП-логики.

Проанализируем работу схемы. Будем считать, что в начальный момент времени t=0 ИЛЭ DD1 закрыт, DD2 открыт. Эти состояния характеризуются логическими уровнями на их выходах: «1»и «0». Происходит зарядка конденсатора С₂ от источника питания +Е_П через выходное сопротивление закрытого ИЛЭ DD1 и входное сопротивление открытого ИЛЭ DD2, имеющее невысокое значение, и которое с учётом параллельного соединения выводов на входе логического элемента будет весьма невысоким. Работа по входу ИЛЭ DD2 проходит в режиме насыщения транзисторов, поэтому , - это входное сопротивление н асыщенных транзисторов.

По мере зарядки конденсатора С₂ напряжение на входе ИЛЭ DD2 будет уменьшаться по экспоненте согласно выражению:

, где

,

- ток в начале зарядки через конденсатор С₂, а .

Напряжение, к моменту времени t₁, на входе ИЛЭ DD2 будет стремиться к пороговому напряжению , величина которого определяется входными вольт-амперными характеристиками (ВАХ) транзисторов и падением напряжения на базовых резисторах R_Б ИЛЭ, рис. 4.10. Величина этого напряжения для кремниевых транзисторов обычно составляет:

.

Тогда можно считать, что конденсатор С₂ зарядится до напряжения с постоянной времени:

.

Длительность этого процесса определяется из выражения:

.

Считая, для упрощения оценки длительности определяемого временного интервала, что , хотя они могут быть в разных соотношениях, определим длительность этого процесса:

.

Одновременно с зарядкой конденсатора С₂ происходит разрядка, ранее заряженного, конденсатора С₁ через выходное сопротивление ИЛЭ DD2, Е_СМ, R_1. При достижении уровня напряжения U_ПОР ( ) на входе ИЛЭ DD1, этот элемент отпирается и входит в режим насыщения, растёт напряжение на его выходе. Возникает процесс регенерации, по окончании которого изменяются логические уровни напряжений на выходах ИЛЭ: DD1 – логический «0», DD2 – логическая «1». На этом заканчивается первое состояние квазиравновесия схемы мультивибратора.

Начинается вторая стадия квазиравновесия, которая характеризуется разрядкой заряженного конденсатора С₂. Длительность процесса разрядки С₂ с момента времени t₁ будет определяться изменением напряжения на входе ИЛЭ DD1 (t₁ – t₂) по нарастающей экспоненте следующим выражением:

Приравнивая изменение на входе ИЛЭ DD2 к напряжению U_ПОР, получим выражение для определения длительности стадии квазиравновесия (времени разрядки С₂):

Его решение даст выражение для длительности разрядки:

где ;

- выходное сопротивление ИЛЭ DD1 в открытом состоянии;

- входное сопротивление ИЛЭ DD2 в закрытом состоянии.

Подставив в выражение длительности разрядки t_РАЗ значения приведённых параметров ИЛЭ и приняв , получим:

.

Принимая значения постоянных времени одинаковыми, в приведённых выражениях, то есть , получим отличие в длительностях времён зарядки t_ЗАР и разрядки t_РАЗ боле чем в два раза. С этим учётом на рис. 4.10 изображены временные диаграммы изменений напряжений на входах ИЛЭ. Кроме того, если длительности времени разрядки t_РАЗ конденсаторов С₁ и С₂ будут одинаковыми, то такой мультивибратор будет являться симметричным со скважностью выходных импульсов равной двум (Q=2) и приведённое выражении для t_РАЗ можно заменить на длительность одного из состояний квазиравновесия, в рассмотренном случае: . Второе состояние квазиравновесия характеризуется разрядкой конденсатора С₁, то есть .

На практике чаще используются схемы МВ без дополнительного источника смещения Е_СМ.

На работу МВ существенно влияют номинальные значения параметров C и R в выражениях постоянных времени и , которые зависят от применяемого типа ИЛЭ. Например, рассмотрим выбор величин C и R для МВ, реализованного на ТТЛ-логике (1ЛБ553) со значениями параметров: . Минимальная величина сопротивления находится из условия обеспечения напряжения на входе ИЛЭ величины , при котором он будет закрыт: . Максимальная величина сопротивления определяется выполнением условия, при котором ИЛЭ будет открыт: . Значения сопротивлений для указанных ИЛЭ составят: , а . Ёмкость конденсатора можно определить из условия обеспечения требуемой задержки переключения ИЛЭ: , где и .

Для защиты по входу ИЛЭ (РЕТЛ - 110 серия, РТЛ – 113, 114, 115 серий, ДТЛ - 109 серия, ТТЛ - 106 серия) резисторы R₁ и R₂ шунтируются диодами VD1 и VD2, предотвращающих отрицательные выбросы напряжений на входах ИЛЭ, которые могут привести к их повреждению. Диоды открываются в процессе восстановления напряжения на конденсаторах С (разрядки), время которого будет значительно меньше времени зарядки (квазиравновесия) вследствие малого сопротивления открытого диода. А так как ток при разрядке будет больше, чем при зарядке, то в выходном импульсе будут наблюдаться выбросы напряжения.

Как отмечалось, недостатком рассмотренных автоколебательных МВ является наличие жёсткого режима возбуждения.

Можно ещё отметить, что у МВ без дополнительного источника смещения Е_СМ минимальная длительность импульса будет больше чем с дополнительным источником смещения и при этом ухудшается стабильность его работы.