Мультивибратор

Мультивибратор используемая — это электронная схема, для реализации множества простых двухсостояний. такие устройства, как релаксационные генераторы , таймеры , защелки и триггеры . Первая схема мультивибратора, нестабильный мультивибраторный генератор , была изобретена Анри Абрахамом и Юджином Блохом во время Первой мировой войны . Он состоял из двух ламповых усилителей, перекрестно связанных резисторно-емкостной сетью. Они назвали свою схему «мультивибратором», потому что ее выходной сигнал был богат гармониками . Для реализации мультивибраторов, создающих аналогичные формы сигналов с высоким содержанием гармоник, можно использовать различные активные устройства; к ним относятся транзисторы, неоновые лампы, туннельные диоды и другие. Хотя устройства с перекрестной связью являются распространенной формой, также распространены одноэлементные мультивибрационные генераторы.

Три типа схем мультивибратора:

Оригинальный ламповый мультивибратор Абрахама-Блоха из их статьи 1919 года.

1. Нестабильный мультивибратор , в котором схема неустойчива ни в одном из состояний — она постоянно переключается из одного состояния в другое. Он действует как генератор релаксации .
2. Моностабильный мультивибратор , у которого одно из состояний устойчиво, а другое неустойчиво (переходное). Триггерный импульс переводит схему в нестабильное состояние. После перехода в нестабильное состояние схема вернется в стабильное состояние через заданное время. Такая схема полезна для создания периода времени фиксированной продолжительности в ответ на какое-либо внешнее событие. Эта схема также известна как одноразовая .
3. Бистабильный мультивибратор , в котором схема стабильна в любом состоянии. Его можно перевести из одного состояния в другое с помощью внешнего триггерного импульса. Эта схема также известна как триггер или защелка. Он может хранить один бит информации и широко используется в цифровой логике и компьютерной памяти .

Мультивибраторы находят применение в различных системах, где требуются прямоугольные волны или временные интервалы. Например, до появления недорогих интегральных схем цепочки мультивибраторов находили применение в качестве делителей частоты . Автономный мультивибратор с частотой от половины до одной десятой опорной частоты точно синхронизируется с опорной частотой. Эта техника использовалась в ранних электронных органах, чтобы поддерживать ноты разных октав точно . Другие приложения включали ранние телевизионные системы, в которых различные частоты строк и кадров синхронизировались с помощью импульсов, включенных в видеосигнал.

История

Мультивибраторный генератор Абрахама-Блоха на вакуумной лампе, Франция, 1920 год (коробочка слева) . Его гармоники используются для калибровки волномера (в центре) .

Первая схема мультивибратора, классический нестабильный мультивибратор- генератор (также называемый мультивибратором с пластинчатой ​​связью ), был впервые описан Анри Абрахамом и Юджином Блохом в публикации 27 французского министра обороны и в Annales de Physique 12, 252 (1919). . Поскольку он создавал прямоугольную волну , в отличие от синусоидальной волны, генерируемой большинством других генераторных схем того времени, его выход содержал много гармоник выше основной частоты, которые можно было использовать для калибровки высокочастотных радиосхем. По этой причине Абрахам и Блох назвали его мультивибратором . Это предшественник триггера Экклса-Джордана. который был получен из схемы год спустя.

Исторически терминология мультивибраторов была несколько разнообразной:

• 1942 г. – мультивибратор подразумевает нестабильность: «Схема мультивибратора (рис. 7-6) чем-то похожа на схему триггера, но связь от анода одного вентиля с сеткой другого осуществляется только посредством конденсатора, так что муфта не поддерживается в устойчивом состоянии».
• 1942 г. - мультивибратор как особая триггерная схема: «Такие схемы были известны как триггерные или триггерные схемы и имели очень большое значение. Самой ранней и наиболее известной из этих схем был мультивибратор».
• 1943 г. - триггер как генератор одновибрационных импульсов: «...существенное отличие двухклапанного триггера от мультивибратора состоит в том, что у триггера один из клапанов смещен в положение отсечки».
• 1949 г. - моностабильный триггер: «Моностабильные мультивибраторы также называли триггерами».
• 1949 г. – моностабильный как триггер: «…триггер – это моностабильный мультивибратор, а обычный мультивибратор – это нестабильный мультивибратор».

Нестабильный

Нестабильный мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов, соединенных в петлю положительной обратной связи двумя цепями емкостно-резистивной связи. Усиливающими элементами могут быть переходные или полевые транзисторы, электронные лампы, операционные усилители или усилители других типов. На рисунке 1 внизу справа показаны транзисторы с биполярным переходом.

Схема обычно изображается в симметричной форме в виде перекрестно-связанной пары. Две выходные клеммы могут быть определены на активных устройствах и иметь дополняющие друг друга состояния. У одного высокое напряжение, а у другого низкое, за исключением коротких переходов из одного состояния в другое.

Операция

Схема имеет два нестабильных (нестабильных) состояния, которые изменяются попеременно с максимальной скоростью перехода из-за «ускоряющейся» положительной обратной связи. Это реализуется с помощью конденсаторов связи, которые мгновенно передают изменения напряжения, поскольку напряжение на конденсаторе не может внезапно измениться. В каждом состоянии один транзистор включен, а другой выключен. Соответственно, один полностью заряженный конденсатор медленно разряжается (обратный заряд), преобразуя время в экспоненциально изменяющееся напряжение. В то же время другой пустой конденсатор быстро заряжается, восстанавливая свой заряд (первый конденсатор действует как конденсатор, задающий время, а второй готовится сыграть эту роль в следующем состоянии). Работа схемы основана на том, что прямосмещенный переход база-эмиттер включенного биполярного транзистора может обеспечить путь для восстановления конденсатора.

Состояние 1 (Q1 включен, Q2 выключен)

Вначале конденсатор C1 полностью заряжен (в предыдущем состоянии 2) до напряжения питания V с полярностью, показанной на рисунке 1. Q1 включен и соединяет левую положительную пластину C1 с землей. Поскольку его правая отрицательная пластина подключена к базе Q2, максимальное отрицательное напряжение ( -V к базе Q2 прикладывается ), которое удерживает Q2 в выключенном состоянии . C1 начинает разряжаться (обратный заряд) через резистор базы R2 высокого номинала, так что напряжение его правой пластины (и на базе Q2) поднимается из-под земли (- V ) в сторону + V . Поскольку переход база-эмиттер Q2 смещен в обратном направлении, он не проводит ток, поэтому весь ток от R2 поступает в C1. Одновременно C2, который полностью разряжен и даже слегка заряжен до 0,6 В (в предыдущем состоянии 2), быстро заряжается через коллекторный резистор малого номинала R4 и прямосмещенный переход база-эмиттер Q1 (поскольку R4 меньше, чем R2, C2 заряжается). быстрее, чем C1). Таким образом, C2 восстанавливает свой заряд и готовится к следующему состоянию C2, когда он будет действовать как конденсатор, задающий время. Q1 вначале прочно насыщается «форсирующим» зарядным током C2, добавляемым к току R3. В конце концов, только R3 обеспечивает необходимый входной базовый ток. Сопротивление R3 выбирается достаточно малым, чтобы поддерживать Q1 (не глубоко) насыщенным после полной зарядки C2.

Рисунок 1. Базовый BJT. нестабильный мультивибратор

Когда напряжение правой пластины C1 (напряжение базы Q2) становится положительным и достигает 0,6 В, переход база-эмиттер Q2 начинает отводить часть зарядного тока R2. Q2 начинает проводиться, и это запускает лавинообразный процесс положительной обратной связи следующим образом. Напряжение коллектора Q2 начинает падать; это изменение передается через полностью заряженный C2 на базу Q1, и Q1 начинает отключаться. Напряжение его коллектора начинает расти; это изменение переносится обратно через почти пустую базу C1 на базу Q2 и увеличивает проводимость Q2, тем самым поддерживая первоначальное входное воздействие на базу Q2. Таким образом, начальное изменение входного сигнала циркулирует по контуру обратной связи и растет лавинообразно, пока, наконец, Q1 не выключится, а Q2 не включится. Смещенный в прямом направлении переход база-эмиттер Q2 фиксирует напряжение правой пластины C1 на уровне 0,6 В и не позволяет ему продолжать расти в направлении + V .

Состояние 2 (Q1 выключен, Q2 включен)

Теперь конденсатор C2 полностью заряжен (в предыдущем состоянии 1) до напряжения питания V с полярностью, показанной на рисунке 1. Q2 включен и соединяет правую положительную пластину C2 с землей. Поскольку его левая отрицательная пластина подключена к базе Q1, максимальное отрицательное напряжение ( -V к базе Q1 прикладывается ), которое удерживает Q1 в выключенном состоянии . C2 начинает разряжаться (обратный заряд) через резистор R3 базы высокого номинала, так что напряжение его левой пластины (и на базе Q1) поднимается из-под земли (- V ) в сторону + V . Одновременно C1, полностью разряженный и даже слегка заряженный до 0,6 В (в предыдущем Состоянии 1), быстро заряжается через малоомный коллекторный резистор R1 и прямосмещенный переход база-эмиттер Q2 (поскольку R1 меньше, чем R3, C1 заряжается быстрее, чем C2). Таким образом, C1 восстанавливает свой заряд и готовится к следующему Состоянию 1, когда он снова будет действовать как конденсатор, задающий время... и так далее... (следующие пояснения являются зеркальной копией второй части Состояния 1).

Частота мультивибратора

Вывод

Продолжительность состояния 1 (низкий выход) будет связана с постоянной времени R ₂ C ₁ , поскольку она зависит от зарядки C1, а длительность состояния 2 (высокий выход) будет связана с постоянной времени R ₃ C _2. так как это зависит от зарядки C2. Поскольку они не обязательно должны быть одинаковыми, асимметричный рабочий цикл легко достигается .

Напряжение на конденсаторе с ненулевым начальным зарядом равно:

$V_{\text{cap}}(t)=\left[\left(V_{\text{capinit}}-V_{\text{charging}}\right)\times e^{-{\frac {t}{RC}}}\right]+V_{\text{charging}}$

Глядя на C2, непосредственно перед включением Q2, левая клемма C2 находится на напряжении база-эмиттер Q1 (V _{BE_Q1} ), а правая клемма находится на V _CC (« V _CC » используется здесь вместо «+ V »). для облегчения записи). Напряжение на C2 равно V _CC минус V _{BE_Q1} . В момент включения Q2 правая клемма C2 теперь находится на уровне 0 В, что переводит левую клемму C2 на 0 В минус ( V _CC - V _{BE_Q1} ) или V _{BE_Q1} - V _CC . С этого момента левый вывод C2 должен быть снова заряжен до V _{BE_Q1} . Время, которое это занимает, составляет половину времени переключения нашего мультивибратора (вторая половина поступает от C1). В приведенном выше уравнении зарядки конденсатора подставим:

V _{BE_Q1} для $V_{\text{cap}}(t)$

( V _{BE_Q1} - V _CC ) для $V_{\text{capinit}}$

V _CC для $V_{\text{charging}}$

приводит к:

$V_{{\text{BE}}\_{\text{Q1}}}=\left(\left[\left(V_{{\text{BE}}\_{\text{Q1}}}-V_{\text{CC}}\right)-V_{\text{CC}}\right]\times e^{-{\frac {t}{RC}}}\right)+V_{\text{CC}}$

Решение для t приводит к:

$t=-RC\times \ln \left({\frac {V_{{\text{BE}}\_{\text{Q1}}}-V_{\text{CC}}}{V_{{\text{BE}}\_{\text{Q1}}}-2V_{\text{CC}}}}\right)$

Чтобы эта схема работала, V _CC >>V _{BE_Q1} (например: V _CC =5 В, V _{BE_Q1} =0,6 В), поэтому уравнение можно упростить до:

$t=-RC\times \ln \left({\frac {-V_{\text{CC}}}{-2V_{\text{CC}}}}\right)$

или

$t=-RC\times \ln \left({\frac {1}{2}}\right)$

или

$t=RC\times \ln(2)$

Таким образом, период каждой половины мультивибратора определяется выражением т = ln(2) RC .

Общий период колебаний определяется выражением:

Т = t ₁ + t ₂ = ln(2) R ₂ C ₁ + ln(2) R ₃ C ₂

$f={\frac {1}{T}}={\frac {1}{\ln(2)\cdot (R_{2}C_{1}+R_{3}C_{2})}}\approx {\frac {1}{0.693\cdot (R_{2}C_{1}+R_{3}C_{2})}}$

где...

• f — частота в герцах .
• R2 _. и R3 _— номиналы резисторов в Омах
• C ₁ и C ₂ — номиналы конденсаторов в фарадах.
• T — период (в данном случае сумма двух длительностей периода).

Для особого случая, когда

• t ₁ = t ₂ (50% рабочий цикл)
• Р2 = R_Р3
• С ₁ = С ₂

$f={\frac {1}{T}}={\frac {1}{\ln(2)\cdot 2RC}}\approx {\frac {0.72}{RC}}$

Форма выходного импульса

Выходное напряжение имеет форму, приближающуюся к прямоугольному сигналу. Ниже рассмотрено для транзистора Q1.

В состоянии 1 переход база-эмиттер Q2 смещен в обратном направлении, а конденсатор C1 «отсоединен» от земли. Выходное напряжение включенного транзистора Q1 быстро меняется от высокого к низкому, поскольку этот низкоомный выход нагружен высокоомной нагрузкой (последовательно соединенными конденсатором С1 и высокоомным базовым резистором R2).

В состоянии 2 переход база-эмиттер Q2 смещен в прямом направлении, а конденсатор C1 «подключен» к земле. Выходное напряжение выключенного транзистора Q1 изменяется экспоненциально от низкого к высокому, поскольку этот относительно высокоомный выход нагружен низкоомной нагрузкой (конденсатор С1). Это выходное напряжение интегрирующей схемы R ₁ C ₁ .

Чтобы добиться необходимой прямоугольной формы сигнала, коллекторные резисторы должны иметь низкое сопротивление. Базовые резисторы должны быть достаточно низкими, чтобы обеспечить насыщение транзисторов в конце восстановления (RB _< β.RC ₎ .

Первоначальное включение

При первом включении схемы ни один транзистор не включается. Однако это означает, что на этом этапе они оба будут иметь высокие базовые напряжения и, следовательно, тенденцию к включению, а неизбежные небольшие асимметрии будут означать, что один из транзисторов включится первым. Это быстро переведет схему в одно из вышеуказанных состояний, и возникнут колебания. На практике колебания всегда происходят при практических R и C. значениях

Однако, если схема временно удерживается с обеими базами под высоким напряжением дольше, чем требуется для полной зарядки обоих конденсаторов, тогда схема останется в этом стабильном состоянии, с обеими базами под напряжением 0,60 В, обоими коллекторами под напряжением 0 В и обоими конденсаторы заряжаются обратно до -0,60 В. Это может произойти при запуске без внешнего вмешательства, если R и C очень малы.

Делитель частоты

Нестабильный мультивибратор можно синхронизировать с внешней цепочкой импульсов. Для разделения задания на большое соотношение можно использовать одну пару активных устройств, однако стабильность этого метода недостаточна из-за непостоянства источника питания и элементов схемы. Например, коэффициент деления 10 легко получить, но он ненадежен. Цепочки бистабильных триггеров обеспечивают более предсказуемое деление за счет большего количества активных элементов.

Защитные компоненты

включенные последовательно с базой или эмиттером транзистора, хотя и не являются принципиальными для работы схемы, Диоды, необходимы для предотвращения обратного пробоя перехода база-эмиттер, когда напряжение питания превышает напряжение пробоя V _eb , обычно около 5 -10 В для кремниевых транзисторов общего назначения. В моностабильной конфигурации только один из транзисторов требует защиты.

Нестабильный мультивибратор на базе операционного усилителя

Нестабильный мультивибратор на ОУ

Предположим, что все конденсаторы сначала разряжены. Выход операционного усилителя V _o в узле c изначально равен +V _sat . В узле a напряжение +β V _{sat , где} за счет деления напряжения образуется $\beta =\left[{\frac {R2}{R1+R2}}\right]$. Ток, который течет от узлов c и b к земле, заряжает конденсатор C в сторону +V _sat . В течение этого периода зарядки напряжение на b в какой-то момент становится больше +β V _sat . Напряжение на инвертирующем выводе будет больше, чем напряжение на неинвертирующем выводе операционного усилителя. Это схема компаратора, и, следовательно, выходной сигнал становится -V _sat . Напряжение в узле a становится -βV _sat из-за деления напряжения. Теперь конденсатор разряжается в сторону -V _sat . В какой-то момент напряжение на b становится меньше -β V _sat . Напряжение на неинвертирующем выводе будет больше, чем напряжение на инвертирующем выводе операционного усилителя. Итак, на выходе ОУ +V _sat . Это повторяется и образует автономный генератор или нестабильный мультивибратор.

Если V _C — это напряжение на конденсаторе и, судя по графику, период времени волны, образующейся на конденсаторе, и выходного сигнала совпадают, то период времени можно рассчитать следующим образом:

График, показывающий форму выходного сигнала операционного усилителя и форму сигнала, формируемого на конденсаторе C.

$V_{c}=V_{c}(\infty )+[V_{c}(0)-V_{c}(\infty )]e^{\tfrac {-t}{RC}}$

$V_{c}(t)=V_{sat}+[-\beta V_{sat}-V_{sat}]e^{\left({\frac {-t}{RC}}\right)}$

При t = T1 ,

$\beta V_{sat}=V_{sat}(1-[\beta +1]e^{\tfrac {-T1}{RC}})$

Решив, получим:

$T1=RC\ln \left[{\frac {1+\beta }{1-\beta }}\right]$

Мы принимаем значения R, C и β так, чтобы получить симметричную прямоугольную волну. Таким образом, мы получаем T1 = T2 и общий период времени T = T1 + T2 . Итак, период времени прямоугольной волны, генерируемой на выходе, равен:

$T=2RC\ln \left[{\frac {1+\beta }{1-\beta }}\right]$

Моностабильный

Рисунок 2. Базовый BJT. моностабильный мультивибратор

Дополнительная информация: Моностабильный.

В моностабильном мультивибраторе одна резистивно-емкостная цепь (C ₂ -R ₃ на рисунке 1) заменена резистивной цепью (просто резистором). Схему можно рассматривать как 1/2- стабильный мультивибратор . Напряжение коллектора Q2 является выходным сигналом схемы (в отличие от нестабильной схемы оно имеет идеальную прямоугольную форму, поскольку выход не нагружен конденсатором).

При срабатывании входного импульса моностабильный мультивибратор на некоторое время перейдет в нестабильное положение, а затем вернется в стабильное состояние. Период времени, в течение которого моностабильный мультивибратор остается в нестабильном состоянии, определяется выражением t = ln(2) R ₂ C ₁ . Если повторное применение входного импульса удерживает схему в нестабильном состоянии, она называется перезапускаемой моностабильной. Если дальнейшие импульсы запуска не влияют на период, схема представляет собой неперезапускаемый мультивибратор.

Для схемы на рисунке 2 в стабильном состоянии Q1 выключен, а Q2 включен. Он срабатывает при подаче нулевого или отрицательного входного сигнала на базу Q2 (с таким же успехом его можно запустить при подаче положительного входного сигнала через резистор на базу Q1). В результате схема переходит в состояние 1, описанное выше. По истечении времени он возвращается в стабильное исходное состояние.

Моностабильный с использованием операционного усилителя

моностабильный мультивибратор на операционном усилителе

Схема полезна для генерации одиночного выходного импульса регулируемой длительности в ответ на сигнал запуска. Ширина выходного импульсазависит только от внешних компонентов, подключенных к ОУ. Диод D1 фиксирует напряжение конденсатора на уровне 0,7 В, когда на выходе +Vsat. Предположим, что в стабильнойзаявите, что выход Vo = +Vsat. Диод D1 фиксирует напряжение на конденсаторе до 0,7 В. Напряжение на неинвертирующем выводе через делитель потенциала будет +βVsat. Теперь на неинвертирующий вывод подается отрицательный триггер величиной V1 так, чтобы эффективный сигнал на этом выводе был меньше 0,7 В. Затем выходное напряжение переключается с +Vsat на -Vsat. Диод теперь будет смещен в обратном направлении, и конденсатор начнет экспоненциально заряжаться до -Vsat через R. Напряжение на неинвертирующей клемме через делитель потенциала будет - βVsat. Через некоторое время конденсатор заряжается до напряжения более - βVsat. Напряжение на неинвертирующем входе теперь больше, чем на инвертирующем, и выход ОУ снова переключается на +Vsat. Конденсатор разряжается через резистор R и снова заряжается до 0,7 В.

Длительность импульса T моностабильного мультивибратора рассчитывается следующим образом:Общее решение для низкочастотной RC-цепи:

$V_{o}=V_{f}+(V_{i}-V_{f})e^{-t/RC}$

где $V_{f}=-V_{\text{sat}}$ и $V_{i}=V_{d}$, прямое напряжение диода. Поэтому,

$V_{c}=-V_{\text{sat}}+(V_{d}+V_{\text{sat}})e^{-t/RC}$

в $t=T$,

$V_{c}=-\beta V_{\text{sat}}$

$-\beta V_{\text{sat}}=-V_{\text{sat}}+(V_{d}+V_{\text{sat}})e^{-T/RC}$

после упрощения,

$T=RC\ln \left({1+V_{d}/V_{\text{sat}} \over 1-\beta }\right)$

где $\beta ={R2 \over R1+R2}$

Если $V_{\text{sat}}>>V_{d}$ и $R1=R2$ так что $\beta =0.5$, затем $T=0.69RC$

Бистабильный

Основная статья: Триггер (электроника)

Рисунок 3. Базовая схема анимированного интерактивного бистабильного мультивибратора BJT (рекомендуемые значения: R1, R2 = 1 кОм , R3, R4 = 10 кОм).

В бистабильном мультивибраторе обе резистивно-емкостные цепи (C ₁ -R ₂ и C ₂ -R ₃ на рисунке 1) заменены резистивными цепями (просто резисторами или прямой связью).

Эта схема- защелка аналогична нестабильному мультивибратору, за исключением того, что в ней нет времени заряда и разряда из-за отсутствия конденсаторов. Следовательно, при включении цепи, если Q1 включен, ее коллектор находится под напряжением 0 В. В результате Q2 отключается. Это приводит к тому, что к R4 прикладывается более половины напряжения + V , вызывая ток в базе Q1, тем самым поддерживая его во включенном состоянии. Таким образом, схема постоянно остается стабильной в одном состоянии. Аналогично, Q2 остается включенным постоянно, если он включается первым.

Переключение состояния может осуществляться через клеммы Set и Reset, подключенные к базам. Например, если Q2 включен, а Set на мгновение заземлен, это отключает Q2 и включает Q1. Таким образом, Set используется для «включения» Q1, а Reset используется для «сброса» его в выключенное состояние.

См. также

• Блокирующий генератор
• RC-цепь
• Триггер Шмитта