,

где перепад напряжения U_Л=U¹-U⁰.

Если U_{ВХ 1} = U_{ВХ 2} = U*, то оба ЛЭ оказываются в области активных характеристик (см. рис.4). Лаб. раб. № 4), и в схеме возникает глубокая положительная обратная связь, приводящая к скачкообразному процессу и "опрокидыванию" ЛЭ. После чего на выходах ЛЭ D1 и D2 устанавливаются потенциалы U_ВЫХ 1=U¹ и U_ВЫХ 2=U⁰ соответственно. Положительный перепад напряжения с выхода ЛЭ D1 передается через емкость C₂ на вход ЛЭ D2 и будет удерживать его в новом квазистатическом состоянии U_ВХ 2=U¹, U_ВЫХ 2=U⁰. В цепи – шина +E_ПИТ - выход ЛЭ D2 – С₂ – R₂ – шина нулевого потенциала ("земля") - возникает ток перезарядки конденсатора C₂, определяющий длительность квазиравновесного состояния ЛЭ D2 аналогично рассмотренным выше процессам на примере ЛЭ D1.

,

По окончании времени T₂ схеме вновь возникает скачкообразное изменение состояния ЛЭ, и все процессы перезарядки конденсаторов C₁ и C₂ повторяются снова. Полный период колебаний мультивибратора без учета быстрых процессов составляет

T=T₁+T₂.

Предположим, что r_ВЫХ<<R₁, R₂. Поскольку для ЛЭ КМОП U*E_ПИТ/2, U⁰=0, U¹=E_ПИТ, то

.

Осциллограммы напряжений в характерных точках MB представлены на рис.5.3, а. Изменение длительности полупериодов колебаний осуществляется путем изменения величины резисторов R1, R2 (скачком, либо плавно), или изменением емкости конденсаторов C1, C2 (как правило – скачком). Если T₁ = T₂, то мультивибратор считается симметричным. Если T₁  T₂, то мультивибратор – несимметричный.

На выходах ЛЭ формируются импульсы напряжения близкие к прямоугольным. При этом длительность положительного фронта импульса определяется процессом заряда емкости C_ЭКВ ключевым каскадом (см. [4], лаб. раб. № 5). В качестве C_ЭКВ выступает входная и выходная емкости ЛЭ и емкости монтажа C_М, C_ВХ, C_ВЫХ.

C_ЭКВ=C_ВХ+C_ВЫХ+C_М.

Рис.5.3: а – осциллограммы напряжений в мультивибраторе на ЛЭ КМОП в схеме рис 5.1, а; б – в схеме рис. 5.1, б

Длительность положительного фронта можно оценить по формуле

где I_CO - выходной ток ЛЭ-ключа при разряде эквивалентной емкости.

Форма отрицательного фронта импульса более сложная. При уменьшении напряжения U_ВЫХ от U¹ до (U*-U_D) также происходит разряд С_ЭКВ через ЛЭ- ключ, и скорость изменения напряжения здесь такая же, как и в предыдущем случае. Однако при напряжениях U_ВЫХ ниже (U*-U_D) длительность процесса существенно возрастает. Это связано с особенностью построения входной цепи ЛЭ. Здесь установлены ограничительные диоды, предохраняющие входную цепь от значительных отрицательных напряжений. В процессе формирования второй части отрицательного фронта данные диоды открываются. Это приводит к перезарядке выходным током ЛЭ-ключа конденсаторов C₁ и С₂. Поскольку C₁, C₂>>C_ЭКВ, то соответственно, увеличивается и время формирования отрицательного фронта, полная длительность которого составляет

.

На входах ЛЭ этому процессу соответствуют короткие отрицательные выбросы напряжения.

Схемы обеспечения автоматического запуска МВ показаны на рис.5.1 как отдельный блок (обведены пунктиром). При включении напряжения питания, например, в схеме MB (рис.5.1, а) возможно возникновение ситуации, когда на входах обоих ЛЭ D1 и D2 могут одновременно оказаться низкие потенциалы. Наиболее вероятно это ожидается в симметричном мультивибраторе. В этом случае колебания в схеме не возникнут. Для обеспечения автоматического запуска МВ используется дополнительная схема, которая для схемы (рис.5.1, а) должна выполнять логическую функцию . Она содержит элемент совпадения И‑НЕ (D3) и инвертор (D4). В отсутствии колебаний MB на входах ЛЭ D1 и D2 одновременно будут существовать низкие потенциалы. Это приведет к одновременному появлению высоких потенциалов на выходах D1 и D2 –соответственно – на входах ЛЭ D3. Это вызовет появление высокого потенциала на выходе ЛЭ D4 и, соответственно, на входе ЛЭ D2. При этом возникает несимметричный режим
(U_{ВХ D1}=0, U_{ВХ D2}=1), и в MB возникнут колебания.

При возникновении автоколебаний в MB попеременно на одном из входов схемы совпадений D3 будет присутствовать низкий потенциал, что ведет к постоянному низкому потенциалу на выходе D4. В результате резистор R₂ будет "заземлен" через малое выходное сопротивление ЛЭ D4 (на схеме МВ условно показано пунктиром). Схема автоматического запуска, практически, не влияет на частоту генерируемых колебаний, и используется в данных схемах МВ как обязательная составная часть.

Работа мультивибратора, построенного по второму варианту (рис.5.1, б) в идейном плане не отличается от работы автогенератора, рассмотренного выше. Предлагается читателю самому, пользуясь приведенными осциллограммами (рис.5.3, б), разобраться в его работе. Необходимо помнить, что времязадающие резисторы в данной схеме присоединены к потенциалу U¹. Соответственно несколько изменилась и схема автоматического запуска.

ЛЭ на основе КМОП одинаково хорошо работают как в схеме первого, так и второго вариантов. В качестве источника U¹ используется шина +E_ПИТ.

По принципу работы и построению схема MB на ТТЛ элементах не отличается от MB на КМОП. Однако необходимо учитывать (см. "Приложение"), что для ЛЭ ТТЛ серии К155 напряжение E_ПИТ = +5В, U* = 2U_БЭ = 1,4 В, а напряжения U¹ = 3.6В и U₀=0,2В, при этом. ЛЭ ТТЛ имеют существенный вытекающий входной ток I⁰_ВХ 1 mA при U_ВХU*.

Рис. 5.4. Осциллограммы переходных процессов в мультивибраторах на ЛЭ ТТЛ: а – для МВ по схеме рис.5.5, а; б – для МВ по схеме рис.5.1, б

Все это необходимо принимать во внимание при обеспечении квазиустойчивых состояний MB, а также при оценке длительности квазиравновесных стадий. В частности, для обеспечения U_ВХ=U⁰ в схеме, построенной по первому варианту (рис.5.1, а) накладываются ограничения на максимальную величину резисторов R₁ и R₂, так чтобы I⁰_ВХ(R1||R2)<1,0 В, а существенное изменение входного тока при U_ВХ=U* может привести к усложнению переходного процесса (рис.5.4, а) при повышенной величине резисторов (R1, R2  1кОм) и к возникновению повышенной нестабильности длительности (см. Т₁'') генерируемых полупериодов колебаний (подробнее смотри лаб. раб. № 4).

Б

Рис.5.5. Схема обеспечения источника напряжения U1 для мультивибратора на ТТЛ

олее высокая стабильность частоты генерируемых колебаний достигается в схеме на ЛЭ ТТЛ, построенной по второму варианту (рис.5.1, б). Осциллограммы генерируемых колебаний для такой схемы представлены на рис.5.4, б. Для обеспечения напряжения U¹ = 3.6 В используется параллельный стабилизатор на основе стабилитрона КС 136, либо "свободный" ЛЭ ТТЛ (рис.5.5).

Задание

1. Исследовать работу симметричного MB. Тип ЛЭ задается преподавателем. Проанализировать осциллограммы в характерных точках схемы. Оценить период колебаний, сравнить с расчетным.

2. Исследовать несимметричную схему МВ. Снять зависимость периодов колебаний T₁ и T₂ от величины резистора R.

3. В одном из режимов оценить длительность положительных и отрицательных фронтов импульсов на выходах MB.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. - М.: Радио и связь, 1981. – С. 136‑140, 147‑149.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высш. шк., 1991. – С.585 – 597.

3. Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. – М.: Радио и связь, 1991. – С. 80-123.

4. И.А. Каретников, А.К. Соловьев, Н.А. Чарыков. Транзисторные ключи: Лабораторные работы № 1-5. – М.: Изд-во МЭИ, 2004.

ПРИЛОЖЕНИЕ

В целях обеспечения лучщего понимания студентами работы мультивибраторов и триггеров на логических элементах, а также для обеспечения грамотных расчетов в "Приложении" приведены

Рис.П1. Электрическая схема (а), обозначение ЛЭ (б), таблица состояний (в) для ЛЭ К155ЛА3

электрические схемы и основные характеристики для наиболее популярных ЛЭ: –ТТЛ (К155ЛА3) и КМОП (К561ЛА7, –ЛЕ5,–ЛН1).

ЛЭ К155ЛА3 выполняет логическую функцию И-НЕ и имеет усилитель мощности. Его электрическая схема приведена на рис. П1.

Многоэмиттерный транзистор VT1 обеспечивает логическую функцию "И", транзистор VT2 -функцию "НЕ", транзисторы VT3, VT4 – усилитель мощности. Основные характеристики (входная, передаточная и выходные) приведены на рис. П2 а, б, в соответственно.

Рис.П2. Входная (а), передаточная (б) и выходные (в) характеристики ЛЭ К155ЛА3

Необходимо обратить внимание, что напряжение питания ЛЭ E_ПИТ =5В, напряжение U¹_ВЫХ  3,6  2,4 В (в зависимости от тока нагрузки), напряжение U⁰_ВЫХ  0,2  0,4В, а напряжение переключения U^ = 2U_БЭ  1,4 В. Входная характеристика при напряжениях меньше U^ имеет значительный вытекающий ток (до 1 mA), а при напряжениях больше U^ – входной ток 0. На входах ЛЭ установлены охранные диоды VD1 и VD2 ( рис П1) , предохраняющие вход от появления значительных отрицательных напряжений.

Электрические схемы, обозначения схем как логических элементов и таблицы состояний для КМОП элементов приведены в табл. П1. Для ЛЭ на основе КМОП характерно весьма высокое входное сопротивление . I_ВХ = I_УТ  0,1mkA (T=20⁰C)  1 mkA (T= 85⁰C), что определяется токами утечки охранных диодов. Напряжение переключения ЛЭ, как правило, составляет U^= E_ПИТ / 2.