Контрольные вопросы

1. Назовите основные параметры ОУ.

2. Какую роль при использовании ОУ играют его паразитные параметры?

3. Поясните принцип работы схем рис. 1.11, 1.12 и назначение ее элементов.

4. Какими параметрами схем определяется частота генерируемых колебаний?

5. Чем определяется нестабильность частоты генерируемых колебаний?

6. Чем определяется максимальная частота генерируемых колебаний в схемах рис. 1.11, 1.12?

7. Какими способами можно управлять частотой генерируемых колебаний в схемах рис. 1.11, 1.12?

8. Сопоставьте свойства схем рис. 1.11, 1.12.

1.2.5. Мультивибраторы на логических элементах [6, 10, 13]

Необходимость обеспечения оптимального сопряжения параметров импульсных сигналов с требованиями к цифровым устройствам во многих случаях достигается применением в качестве активной элементной базы при создании импульсных генераторов логических цифровых схем типа инверторов.

Рис. 1.15 Рис.1.16

Решающими факторами здесь являются совместимость логических уровней используемых микросхем, их времени переключения, заметно меньшего по сравнению с ключами на дискретных транзисторах.

Схемотехнические решения мультивибраторов на логических элементах достаточно разнообразны, некоторые по своему построению близки к транзисторным, другие учитывают специфические особенности микросхем.

Простая схема мультивибратора, собранная на двух инверторах, приведена на рис. 1.15. Инвертор D₁ охвачен отрицательной обратной связью через резистор R₂, что делается с целью вывода рабочей точки инвертора по постоянному току на линейный участок передаточной характеристики. Сопротивление этого резистора для схем ТТЛ лежит в пределах нескольких сотен Ом, а для схем серии КМОП – десятки и сотни килоом (кОм).

Положительная обратная связь осуществляется через конденсатор С₁ с выхода инвертора D₂.

Резистор R₁ играет вспомогательную роль, ограничивая бросок тока на входе инвертора D₁ (напомним, что на входе микросхемы обычно присутствует диод, защищающий ее от отрицательных выбросов напряжения).

Электрические процессы в схеме иллюстрируются диаграммами рис. 1.16. Пусть до момента t₁ выходное напряжение инвертора D₂ принимает минимальное значение (логический ноль), а инвертора D₁ – максимальное (логическая единица). Напряжение U₁ на этом интервале времени изменяется, достигая в момент t₁ порога срабатывания U_п0. Оба инвертора быстро переключаются, а состояния их выходов меняются на противоположные. Положительный перепад напряжения на выходе D₂ передается на вход микросхемы D₁ и поддерживает новое состояние до тех пор, пока в результате заряда конденсатора С₁ уровень напряжения U₁ не снизится до порога срабатывания единичного уровня U_п1 в момент t₃. Инверторы вновь примут свое исходное состояние и далее процесс примет автоколебательный периодический характер.

Проведем приближенный расчет длительностей t_и1, t_и2, предположив, что выходные сопротивления инверторов достаточно малы, уровень логического нуля близок к нулю, а уровень логической единицы обозначим через U ¹.

В интервале времени t₁…t₂ напряжение u₁ на входе инвертора D₁ изменяется по закону:

, (1.42)

достигая в момент t₂ порога срабатывания U_п1 единичного уровня. Приравнивая правую часть (1.42) значению U_п1, найдем:

. (1.43)

После изменения значения U_вых от «единицы« к «нулю» конденсатор С₁ сначала быстро разряжается через резистор R₂ до близкого к нулю уровня (вспомним, что вход инвертора шунтирован диодом), а затем перезаряжается под действием единичного уровня U ¹ с выхода микросхемы D₁, что после несложных выкладок позволяет получить выражение для t_и2:

. (1.44)

Сумма длительностей определит период колебаний и обратную ему величину – частоту следования импульсов:

,f = 1/T, (1.45)

где = С₁(R₁ + R₂).

Для частного случая R₁ << R₂ и U_п0 U_п1 U₁/2 получим из (1.46) приближенное значение для периода T, на которое обычно ссылаются авторы справочной и учебной литературы:

. (1.46)

Нетрудно сделать вывод, что мультивибратору подобной простой структуры свойственна невысокая стабильность частоты выходных импульсов. Последняя может быть достигнута применением в цепях обратной связи высоко добротных резонансных структур, как показано на рис. 1.17. Здесь вместо конденсатора в цепь положительной обратной связи включен кварцевый резонатор. При коммутации инверторов резонатор возбуждается на строго определенной частоте, которая и определяет частоту выходных импульсов, значение которой находится в пределах 1…10 МГц.

Простые логические элементы, а также устройства на их основе эффективно применяются при построении схем ждущих мультивибраторов.

Рис. 1.17

На рис. 1.18, а, б показаны схема одновибратора и поясняющие ее работу диаграммы напряжений в обозначенных точках.

Активную базу схемы составляют двухвходовые инверторы D₁, D₂ (за основу выбрана серия микросхем типа КМОП). До прихода входного сигнала (единичного уровня) выходные напряжения инверторов D₁, D₂ соответствуют значениям логической единицы и логического нуля. Левая и правая обкладки конденсатора С₁ имеют близкие высокие потенциалы, т. е. напряжение на нем близко к нулю. Приход запускающего импульса U_вх переводит D₁ в нулевое состояние, а возникший на входе инвертора D₂ обратный скачок напряжения вызывает переход

а б

Рис. 1.18

этого элемента в состояние логической единицы. Новое состояние схемы будет продолжаться до тех пор, пока в результате заряда конденсатора С₁ через резистор R₁ напряжение на входе D₂ не достигнет порога срабатывания U_п0 и выполнения условий самовозбуждения схемы. Итогом этого процесса станет возврат схемы в свое начальное состояние.