Мультивибратор

Мультивибратор — это электронная схема , используемая для реализации множества простых двухпозиционных ^[1]^[2]^[3] устройств, таких как релаксационные генераторы , таймеры , защелки и триггеры . Первая схема мультивибратора, нестабильный мультивибраторный генератор , была изобретена Анри Абрахамом и Эженом Блохом во время Первой мировой войны . Она состояла из двух усилителей на вакуумных лампах, перекрестно связанных резистивно-конденсаторной сетью. ^[4]^[5] Они назвали свою схему «мультивибратором», потому что ее выходная форма волны была богата гармониками . ^[6] Для реализации мультивибраторов, которые производят подобные богатые гармониками формы волн, можно использовать различные активные устройства; к ним относятся транзисторы, неоновые лампы, туннельные диоды и другие. Хотя перекрестно-связанные устройства являются распространенной формой, одноэлементные мультивибраторы-генераторы также распространены.

Существует три типа схем мультивибратора:

Нестабильный мультивибратор , в котором схема нестабильна ни в одном из состояний — она постоянно переключается из одного состояния в другое. Он функционирует как релаксационный генератор .
Моностабильный мультивибратор , в котором одно из состояний стабильно, а другое нестабильно (переходное). Импульс запуска переводит схему в нестабильное состояние. После перехода в нестабильное состояние схема вернется в стабильное состояние через заданное время. Такая схема полезна для создания временного периода фиксированной длительности в ответ на некоторое внешнее событие. Эта схема также известна как одновибратор .
Бистабильный мультивибратор , в котором схема стабильна в любом состоянии. Она может быть переключена из одного состояния в другое внешним импульсом запуска. Эта схема также известна как триггер или защелка. Она 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 использовались в качестве делителей частоты . ^{[ требуется ссылка ]} Автономный мультивибратор с частотой от половины до одной десятой опорной частоты точно синхронизировался с опорной частотой. Эта техника использовалась в ранних электронных органах для точного звучания нот разных октав . Другие приложения включали ранние телевизионные системы, где различные частоты строк и кадров синхронизировались импульсами, включенными в видеосигнал.

История

Первая схема мультивибратора, классический нестабильный мультивибраторный генератор (также называемый мультивибратором с пластинчатой связью ), была впервые описана Анри Абрахамом и Эженом Блохом в публикации 27 французского Министерства войны и в Annales de Physique 12, 252 (1919) . Поскольку она производила прямоугольную волну , в отличие от синусоиды, генерируемой большинством других схем генераторов того времени, ее выход содержал много гармоник выше основной частоты, что могло использоваться для калибровки высокочастотных радиосхем. По этой причине Абрахам и Блох назвали ее мультивибратором . Она является предшественником триггера Экклза-Жордана ^[7] , который был получен из схемы годом позже.

Исторически терминология мультивибраторов несколько различалась:

1942 – мультивибратор подразумевает нестабильность: «Схема мультивибратора (рис. 7-6) несколько похожа на схему триггера, но связь анода одной лампы с сеткой другой осуществляется только конденсатором, так что связь не поддерживается в устойчивом состоянии» ^{[8] .}
1942 – мультивибратор как особая схема с триггером: «Такие схемы были известны как схемы «триггера» или «триггера» и имели очень большое значение. Самой ранней и самой известной из этих схем был мультивибратор». ^[9]
1943 – триггер как генератор одноразовых импульсов: «...существенное различие между двухламповым триггером и мультивибратором заключается в том, что у триггера один из вентилей смещен на отсечку». ^[10]
1949 – моностабильный как триггер: «Моностабильные мультивибраторы также называются «триггерами». ^[11]
1949 – моностабильный как триггер: «... триггер – это моностабильный мультивибратор, а обычный мультивибратор – это нестабильный мультивибратор». ^[12]

Нестабильный

Нестабильный мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов, соединенных в петлю положительной обратной связи двумя емкостно-резистивными связями. ^{[ проверка не удалась ]} Усилительными элементами могут быть транзисторы с переходом или полевые транзисторы, электронные лампы, операционные усилители или другие типы усилителей. На рисунке 1, справа внизу, показаны биполярные транзисторы с переходом.

Схема обычно рисуется в симметричной форме как пара с перекрестными связями. Два выходных терминала могут быть определены на активных устройствах и иметь комплементарные состояния. Один имеет высокое напряжение, а другой — низкое напряжение, за исключением кратковременных переходов из одного состояния в другое.

Операция

Схема имеет два нестабильных (неустойчивых) состояния, которые поочередно изменяются с максимальной скоростью перехода из-за «ускоряющей» положительной обратной связи. Она 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 (обратно заряжается), тем самым преобразуя время в экспоненциально изменяющееся напряжение. В то же время другой пустой конденсатор быстро заряжается, тем самым восстанавливая свой заряд (первый конденсатор действует как времязадающий конденсатор, а второй готовится играть 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)

В начале 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 соединена с базой Q2, к базе Q2 приложено максимальное отрицательное напряжение (- V ), которое удерживает Q2 в надежном выключенном состоянии . C1 начинает разряжаться (обратная зарядка) через резистор базы с высоким номиналом R2, так что напряжение его правой пластины (и на базе Q2) растет от уровня ниже уровня земли (- V ) к уровню + V . Поскольку переход база-эмиттер Q2 смещен в обратном направлении, он не проводит ток, поэтому весь ток от R2 идет в C1. Одновременно полностью разряженный и даже слегка заряженный до 0,6 В (в предыдущем состоянии 2) конденсатор C2 быстро заряжается через низкоомный коллекторный резистор R4 и прямосмещенный переход база-эмиттер Q1 (поскольку R4 меньше R2, C2 заряжается быстрее C1). Таким образом, C2 восстанавливает свой заряд и готовится к следующему состоянию C2, когда он будет действовать как времязадающий конденсатор. Q1 в начале надежно насыщен "заставляющим" зарядным током C2, добавленным к току R3. В конце концов, только R3 обеспечивает необходимый входной ток базы. Сопротивление R3 выбрано достаточно малым, чтобы поддерживать насыщение Q1 (не глубоко) после полной зарядки C2.

Когда напряжение правой пластины C1 (базовое напряжение Q2) становится положительным и достигает 0,6 В, переход база-эмиттер Q2 начинает отводить часть зарядного тока R2. Q2 начинает проводить, 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. Его напряжение коллектора начинает расти; это изменение передается обратно через почти пустой C1 на базу Q2 и заставляет Q2 проводить больше, тем самым поддерживая начальное входное воздействие на базу Q2. Таким образом, начальное входное изменение циркулирует по петле обратной связи и растет лавинообразным образом, пока, наконец, Q1 не выключится, а Q2 не включится. Прямосмещенный 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, к базе Q1 приложено максимальное отрицательное напряжение (- V ), которое удерживает Q1 надежно выключенным . C2 начинает разряжаться (обратная зарядка) через резистор базы с высоким номиналом R3, так что напряжение его левой пластины (и на базе Q1) повышается от уровня ниже уровня земли (- V ) до + V . Одновременно C1, который полностью разряжен и даже слегка заряжен до 0,6 В (в предыдущем состоянии 1), быстро заряжается через резистор коллектора с низким номиналом R1 и переход база-эмиттер Q2 с прямым смещением (поскольку R1 меньше 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 времени... и так далее... (далее пояснения являются зеркальной копией второй части Состояния 1).

Частота мультивибратора

Вывод

Длительность состояния 1 (низкий выход) будет связана с постоянной времени R ₂C ₁ , поскольку она зависит от заряда C1, а длительность состояния 2 (высокий выход) будет связана с постоянной времени R ₃C ₂ , поскольку она зависит от заряда C2. Поскольку они не 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}}

Если посмотреть на C2, то непосредственно перед включением Q2 левый вывод C2 находится на уровне напряжения база-эмиттер Q1 (V _{BE_Q1} ), а правый вывод — на уровне V _CC ( здесь вместо «+ V » используется « V _CC » для упрощения записи). Напряжение на C2 равно V _CC минус V _{BE_Q1} . В момент после включения Q2 правый вывод C2 теперь равен 0 В, что переводит левый вывод C2 в состояние 0 В минус ( V _CC - V _{BE_Q1} ) или V _{BE_Q1} - V _CC . С этого момента времени левый вывод C2 должен быть снова заряжен до V _{BE_Q1} . Время, которое это займет, составляет половину времени переключения нашего мультивибратора (другая половина поступает от C1). В приведенном выше уравнении заряда конденсатора, подставив:

V _{BE_Q1} для

V_{\text{cap}}(t)

( V _{BE_Q1} - V _CC ) для

V_{\text{capinit}}

V _CC для

V_{\text{charging}}

результаты в:

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 относительно 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)

Для работы этой схемы 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 t = ln(2) RC .

Полный период колебаний определяется по формуле:

Т = t1 + t2 = ln ₍2 ) _R2C1₊_ln₍2 ) _R3C2

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

где...

f — частота в герцах .
R ₂ и R ₃ — номиналы резисторов в Омах.
C ₁ и C ₂ — значения ёмкости конденсаторов в фарадах.
T — период (в данном случае сумма длительностей двух периодов).

Для особого случая, когда

t ₁ = t ₂ (50% рабочий цикл)
Р2 = Р3
С ₁ = С ₂

$f={\frac {1}{T}}={\frac {1}{\ln(2)\cdot 2RC}}\approx {\frac {0.72}{RC}}$ ^[13]

Форма выходного импульса

Выходное напряжение имеет форму, близкую к прямоугольной. Ниже это рассматривается 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 с высокого на низкое, поскольку этот низкоомный выход нагружен высокоомной нагрузкой (последовательно соединенные конденсатор C1 и высокоомный базовый резистор 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 до высокого, поскольку этот относительно высокоомный выход нагружен нагрузкой с низким импедансом (конденсатор C1). Это выходное напряжение интегрирующей цепи R ₁ C ₁ .

Чтобы приблизиться к необходимой форме прямоугольного сигнала, резисторы коллектора должны иметь низкое сопротивление. Резисторы базы должны быть достаточно низкими, чтобы транзисторы насыщались в конце восстановления (RB _< β.RC ₎ .

Первоначальное включение

При первом включении схемы ни один из транзисторов не будет включен. Однако это означает, что на этом этапе они оба будут иметь высокие базовые напряжения и, следовательно, тенденцию к включению, а неизбежная небольшая асимметрия будет означать, что один из транзисторов включится первым. Это быстро переведет схему в одно из вышеуказанных состояний, и последует осцилляция. На практике осцилляция всегда происходит для практических значений R и C.

Однако если схема временно удерживается с обеими базами под высоким напряжением дольше, чем требуется для полной зарядки обоих конденсаторов, то схема останется в этом стабильном состоянии, при этом обе базы будут иметь напряжение 0,60 В, оба коллектора — 0 В, а оба конденсатора будут заряжены в обратном направлении до -0,60 В. Это может произойти при запуске без внешнего вмешательства, если R и C оба очень малы.

Делитель частоты

Нестабильный мультивибратор может быть синхронизирован с внешней цепочкой импульсов. Одна пара активных устройств может быть использована для деления опорного сигнала на большое отношение, однако стабильность метода плохая из-за изменчивости источника питания и элементов схемы. Коэффициент деления 10, например, легко получить, но он ненадежен. Цепи бистабильных триггеров обеспечивают более предсказуемое деление за счет большего количества активных элементов. ^[13]

Защитные компоненты

Хотя это и не является основополагающим для работы схемы, диоды , включенные последовательно с базой или эмиттером транзисторов, необходимы для предотвращения обратного пробоя перехода база-эмиттер, когда напряжение питания превышает напряжение пробоя V _eb , обычно около 5-10 вольт для кремниевых транзисторов общего назначения. В моностабильной конфигурации только один из транзисторов требует защиты.

Нестабильный мультивибратор с использованием операционного усилителя

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 образуется из-за деления напряжения, где . Ток, который течет от узлов c и b к земле, заряжает конденсатор C до +V _sat . Во время этого периода зарядки напряжение в b в какой-то момент становится больше +β V _sat . Напряжение на инвертирующем выводе будет больше напряжения на неинвертирующем выводе операционного усилителя. Это схема компаратора, и, следовательно, выход становится -V _sat . Напряжение в узле a становится -βV _sat из-за деления напряжения. Теперь конденсатор разряжается до -V _sat . В какой-то момент напряжение в b становится меньше -β V _sat . Напряжение на неинвертирующем выводе будет больше напряжения на инвертирующем выводе операционного усилителя. Таким образом, выход операционного усилителя равен +V _sat . Это повторяется и образует автоколебательный генератор или нестабильный мультивибратор. $\beta =\left[{\frac {R2}{R1+R2}}\right]$

Если V _C — напряжение на конденсаторе и из графика следует, что период времени волны, сформированной на конденсаторе и на выходе, совпадает, то период времени можно рассчитать следующим образом:

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

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

При t = T1 ,

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

После решения получаем:

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

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

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

Моностабильный

В моностабильном мультивибраторе одна резистивно-емкостная сеть (C2 _- R3 _на рисунке 1) заменена резистивной сетью (просто резистором). Схему можно рассматривать как 1/2 астабильный мультивибратор. Напряжение коллектора Q2 является выходом схемы (в отличие от астабильной схемы, она имеет идеальную прямоугольную форму, поскольку выход не нагружен конденсатором).

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

Для схемы на рисунке 2 в устойчивом состоянии Q1 выключен, а Q2 включен. Он запускается нулевым или отрицательным входным сигналом, подаваемым на базу Q2 (с таким же успехом его можно запустить, подав положительный входной сигнал через резистор на базу Q1). В результате схема переходит в состояние 1, описанное выше. По истечении времени она возвращается в свое устойчивое исходное состояние.

Моностабильный с использованием операционного усилителя

моностабильный мультивибратор с использованием операционного усилителя

Схема полезна для генерации одного выходного импульса регулируемой длительности в ответ на запускающий сигнал. Ширина выходного импульса зависит только от внешних компонентов, подключенных к операционному усилителю. Диод D1 ограничивает напряжение конденсатора до 0,7 В, когда выход равен +Vsat. Предположим, что в устойчивом состоянии выход Vo = +Vsat. Диод D1 ограничивает напряжение конденсатора до 0,7 В. Напряжение на неинвертирующем выводе через делитель потенциала будет равно + βVsat. Теперь к неинвертирующему выводу прикладывается отрицательный триггер величиной V1, так что эффективный сигнал на этом выводе меньше 0,7 В. Затем выходное напряжение переключается с +Vsat на -Vsat. Теперь диод получит обратное смещение, и конденсатор начнет заряжаться экспоненциально до -Vsat через R. Напряжение на неинвертирующем выводе через делитель потенциала будет равно - βVsat. Через некоторое время конденсатор заряжается до напряжения, большего, чем - βVsat. Напряжение на неинвертирующем входе теперь больше, чем на инвертирующем, и выход операционного усилителя снова переключается на +Vsat. Конденсатор разряжается через резистор R и снова заряжается до 0,7 В.

Ширина импульса T моностабильного мультивибратора рассчитывается следующим образом: Общее решение для низкочастотной RC-цепи имеет вид

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

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

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

Бистабильный

В бистабильном мультивибраторе обе резистивно-емкостные цепи (C1 _- R2 _и C2 _- R3 _на рисунке 1) заменены резистивными цепями (только резисторами или прямой связью).

Эта схема защелки похожа на нестабильный мультивибратор, за исключением того, что нет времени заряда или разряда из-за отсутствия конденсаторов. Следовательно, когда схема включена, если Q1 включен, его коллектор находится на уровне 0 В. В результате Q2 выключается. Это приводит к тому, что более половины + V вольт подается на R4, вызывая ток в базу Q1, тем самым удерживая его включенным. Таким образом, схема остается стабильной в одном состоянии непрерывно. Аналогично, Q2 остается включенным непрерывно, если он случайно включился первым.

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

Смотрите также

Ссылки

^ Джейн, Р. П.; Ананд, М. (1983). Практика цифровой электроники с использованием интегральных схем. Tata McGraw-Hill Education. стр. 159. ISBN 0074516922.
^ Рао, Пракаш (2006). Импульсные и цифровые схемы. Tata McGraw-Hill Education. стр. 268. ISBN 0070606560.
^ Клейтон, ГБ (2013). Операционные усилители, 2-е изд. Elsevier. стр. 267. ISBN 978-1483135557.
^ Авраам, Х.; Э. Блох (1919). «Измерение периодов высокочастотных электрических колебаний». Annales de Physique (на французском языке). 9 (1). Париж: Французское общество физики: 237–302. Бибкод : 1919АнФ....9..237А. doi : 10.1051/jphystap: 019190090021100.
^ Ginoux, Jean-Marc (2012). «Ван дер Поль и история релаксационных колебаний: к возникновению концепции». Хаос: междисциплинарный журнал нелинейной науки . 22 (2): 023120. arXiv : 1408.4890 . Bibcode : 2012Chaos..22b3120G. doi : 10.1063/1.3670008. PMID 22757527. S2CID 293369.
^ Мультивибратор в словаре терминов стандартов IEEE Std. 100, 7-е изд. , IEEE Press, 2000 ISBN 0-7381-2601-2 , стр. 718
↑ Уильям Генри Эклс и Фрэнк Уилфред Джордан, «Усовершенствования ионных реле». Номер британского патента: GB 148582 (подан: 21 июня 1918 г.; опубликован: 5 августа 1920 г.).
^ Уилфред Беннетт Льюис (1942). Электрический счет: с особым акцентом на счет альфа- и бета-частиц . Архив CUP. стр. 68.
↑ Электрик . 128. 13 февраля 1942 г. {{cite journal}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )
^ Оуэн Стэндидж Пакл и Э. Б. Муллин (1943). Временные базы (сканирующие генераторы): их конструкция и разработка, с примечаниями по электронно-лучевой трубке . Chapman & Hall Ltd. стр. 51.
^ Бриттон Чанс (1949). Формы волн (том 19 серии MIT Radiation Lab, ред.). McGraw-Hill Book Co., стр. 167.
^ OS Puckle (январь 1949). «Развитие временных баз: принципы известных цепей». Wireless Engineer . 26 (1). Iliffe Electrical Publications: 139.
^ ab Donald Fink (редактор), Справочник инженеров-электронщиков , McGraw Hill, 1975 ISBN 0-07-020980-4 , стр. 16-40

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Мультивибраторы» .