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.

Схема 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 насыщенных 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.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: