2.3 Мультивібратори на логічних елементах Принцип роботи мультивібраторів на логічних інтегрованих цифрових мікросхемах (ІМС) базується на процесах, зв’язаних із зарядом і розрядом конденсаторів. В якості часозадаючої ланки використовується двох- конденсаторна мостова схема (рис.5) з перезарядом конденсатора відносно нульового рівня вихідної напруги логічного елемента (ЛЕ).
а) Рис. 5 Схема часозадаючої ланки для отримання часових інтервалів. Вихідним каскадом цифрової ІМС І-НЕ, а також АБО-НЕ являється підсилювач (інвертор). Це дає можливість побудувати на таких елементах мультивібратор, аналогічний мультивібратору на транзисторах. За рахунок додатного зворотнього зв’язку (ДЗЗ) в схемі розвивається лавиноподібний процес і перехід вихідної напруги з одного рівня на інший проходить з великою швидкістю. 2.3.1 Автоколивальний мультивібратор Схема автоколивального мультивібратора приведена на рис.6,а.
Рис.6. Схема автоколивального мультивібратора і часові діаграми. В цій схемі вихід елемента DD1 через ланку С1 R2 зєднаний зі входом DD2, вихід якого через коло С2 R1 зєднаний зі входом DD1, за рахунок чого створюється додатній зворотній зв'язок (ДЗЗ). Діоди VD1,VD2 являються захисними, напруга на них не може опуститися нижче UВ. При відсутності діодів VD1,VD2 через конденсатори С1,С2 будуть передаватися значні від’ємні перепади напруг, що може вивести мікросхему із ладу. У випадку наявності діодів в середині мікросхем їх зовнішнє встановлення не є необхідним. Розглянемо роботу мультивібратора за цією схемою. Нехай на виході елемента DD1 потенціал скачком збільшився на , а на виході DD2- скачком зменшився (рис.6,б). Тоді на виході DD1 буде рівень логічної одиниці () і конденсатор С1 почне заряджатися через вихідний опір елемента DD1 і резистор R2. Напруга на резисторі R2 від струму заряду С1 має додатню полярність на вході DD2 і підтримує цей елемент у відкритому стані (). В цей час конденсатор С2 швидко розряджається через малий вихідний опір відкритого елемента DD2 і діод VD1; напруга на вході елемента DD1 низька і він утримується закритим (). Протягом зарядки конденсатора С1 струм заряду зменшується . За рахунок цього знижується спад напруги на вихідному опорі елемента DD1 (завдяки чому зростає), а також зменшується напруга на вході елемента DD2. В деякий момент напруга опускається до значення, при якому робоча точка елемента DD2 виходить на активний участок передавальної характеристики () , де зменшення визиває збільшення . Через конденсатор С2 це передається на вхід елемента DD1. Після цього як зросте до відповідного рівня, робоча точка елемента DD1 теж вийде на активний участок передавальної характеристики. Коли оба елементи будуть знаходитися в активному (підсилювальному) режимі, вступить в дію ДЗЗ, за рахунок якого лавиноподібно збільшиться, а аналогічно зменшиться. В результаті DD1 відкривається (), а DD2 закривається (). Після цього конденсатор С2 почне заряджатися, а конденсатор С1 швидко почне розряджатися через діод VD2 і вихідний опір відкритого елемента DD1 – наступає другий півперіод, процеси в якому повторюються. Напруга на вході кожної мікросхеми пропорційно струму через резистор R1,2 експоненціально зменшується по мірі зарядки конденсатора С2,1. Для елемента DD2:
де - постійна часу зарядки конденсатора. Вважаючи, що переключення елементів (завершення імпульса) наступає тоді, коли понижується до порогової напруги із попереднього виразу отримаємо: Звідси легко знайти тривалість імпульса на виході елемента DD1,2:
Аналогічно, тривалість імпульса на виході елемента DD1.1 , де Період коливань мультивібратора:
При
Недоліком приведеної схеми мультивібратора являється можливість такого стану, при якому оба елементи будуть одночасно закриті (наприклад, при повільному наростанні напруги живлення при увімкненні). Для уникнення цього стану схему доповнюють елементом І і відповідними зв’язками .(Рис.3.) Рис.3. Схема мультивібратора. Якщо мультивібратор (рис.3.) працює нормально, то на виході елемента І різні логічні рівні і на виході – логічний нуль. При цьому правий по схемі вивід резистора R1 через низький вихідний опір відкритого елемента DD1.4 зєднаний із «землею» (принципова схема аналогічна приведеній на рис.1.). Якщо елементи DD1.1 і DD1.2 одночасно закриті, на входах елемента І логічні одиниці і логічною одиницею з виходу DD1.4. відкривається елемент DD1.1. – в схемі появляються умови для виникнення коливального процесу. 2. Мультивібратор з двохпетлевим зворотнім зв’язком на ЛЕ ТТЛ. Схема мультивібратора приведена на рис.4.а
а)
Рис.4 В цій схемі, на відміну від попередньої, ЛЕ DD1.1 і DD1.2 увімкнені по схемі RS- тригера з інверсними входами. Перемикання тригера з одного квазістійкого стану в другий проводиться управляючими сигналами із часозадаючих ланок R1,C1; R2,C2. Принцип роботи мультивібратора наступний. При увімкненні живлення конденсатори С1,С2 розряджені. Допустимо, що в початковий момент (Рис.4,б) на виході DD1.1 діє напруга високого рівня, а на виході DD1.2 – низького. Конденсатор С2 почне заряджатися через вихід DD1.1 і резистор R2 з постійною часу , що приводить до експоненціального зменшення вхідної напруги ЛЕ DD1.2 від до 0. При проходить перемикання елементів мультивібратора ( на рис.4,б). В цей момент в мультивібраторі діють дві петлі позитивного зворотнього зв’язку: одна через R2 ,C2 по другому входу ЛЕ DD1.2, друга через ЛЕ DD1.1 по першому входу DD1.2. Після перемикання мультивібратора на виході DD1.2 встановлюється напруга високого рівня і починається процес заряду конденсатора С1 з постійною часу та розряд конденсатора С2. Тривалості вихідних імпульсів мультивібратора визначаються наступними виразами:
де - диференціальний вихідний опір ЛЕ ТТЛ;
- порогова вхідна напруга, що відповідає переходу ЛЕ із стану «0» в стан «1». - вихідна напруга ненавантаженої схеми. 3.Очікувальний мультивібратор. Схема очікуваного мультивібратора (Рис.5) характеризується наявністю однієї часозадаючої ланки та кола запуску, виконаного на інверторі DD1.1.
а)
б) Рис.5. Схема очікувального мультивібратора
При увімкненні живлення конденсатор С розряджений. В початковому стані напруга незначна, а тому (Рис.5,б). При цьому , а тому на обох входах DD1.2 – логічні одиниці, так що (елемент DD1.2 – відкритий). Додатній імпульс запуску () забезпечує на верхньому вході елемента DD1.2 логічний 0, а тому напруга на виході DD1.2 зростає стрибком. Через конденсатор С додатній перепад передається на вхід елемента DD1.3 і він встановлюється в стан логічного 0 (). Тепер на другому вході елемента DD1.2 логічний 0, а тому високий потенціал на виході DD1.2 зберігається після закінчення імпульса запуску. Після перемикання елементів конденсатор С почне заряджатися через вихід DD1.2 і резистор R з постійною часу , що приводить до експоненціального зменшення - вхідної напруги DD1.3. Завдяки цьому робоча точка елемента DD1.3 виходить на активний участок передавальної характеристики. Зменшення визиває збільшення і . За рахунок останнього робоча точка елемента DD1.2 також виходить на активний участок передавальної характеристики – в схемі замикається коло позитивного зворотнього зв’язку. При проходить перемикання елементів мультивібратора (Рис.5,б; ); DD1.2 відкривається (), а DD1.3 закривається (). Після цього конденсатор С розряджається через малий вихідний опір відкритого елемента DD1.2 і діод VD1, і в схемі встановлюється початковий режим. Тривалість сформованого імпульсу визначається за формулою:
