книги / Справочник по микроэлектронной импульсной технике

Количественный анализ работы мультивибратора производится при принятой аппрок­ симации реальных характеристик ИЛЭ ТТЛ (рис. 7.1, б) и применяемых диодов (рис. 7.2, в).

Так как на протяжении всего времени заряда конденсатора С2 (С1) и перезаряда кон­

вательно, сопротивление времязадающего резистора R1 (R2) должно быть достаточно ма­ лым.

Для определения граничных значений сопротивлений резисторов R1 и R2 необходима экв1гвалентная схема входной цепи ИЛЭ (например DDJ.2 на рис. 7.2, г), находящегося а единичном состоянии, где особенности его входной характеристики учтены идеальным

источником тока / вх и входным сопротивлением # вх. При отсутствии колебаний в муль­

Если при выборе сопротивлений навесных резисторов R1 и R2 ограничиться выражением (7.2) , то при определенных условиях в мультивибраторе может наступить жесткий режим возбуждения, когда после включения источника питающего напряжения оба инвертора оказываются в единичном состоянии. Для устранения такого режима необходимо выпол­

При выполнении последнего рабочие точки обоих ИЛЭ оказываются на динамических уча­ стках передаточных характеристик и, следовательно, даже небольшое различие в коэффи­ циентах усиления К приводит к одному из двух квазиустойчивых состояний, когда на вы­ ходе одного ИЛЭ устанавливается высокий уровень выходного напряжения, а на выходе Другого — низкий. Самовозбуждение мультивибратора в этом случае будет мягким.

Если за время t < /Н2 >где ^ — временной интервал, определяемый времязадающей цепью

R2, С2, напряжение ивх2 (0 превысит значение £/Jj» то произойдет искажение формы вы­ ходных импульсов мультивибратора (рис. 7.2, д), причем искажение тем сильнее, чем больHie напряжение нвх2 (0 превышает значение U°n. На рис. 7.2, д ывых2 = / (авх2) — переДаточная характеристика ИЛЭ DD1.2 в соответствии с принятой аппроксимацией, t/BbIx2 W— форма выходного напряжения пвых2 мультивибратора.

Для устранения искажения формы выходных импульсов мультивибратора необходимо

Для определения длительностей импульсов, формируемых мультивибратором, следует воспользоваться э ^ ываленты°й схемой заряда одного из конденсаторов (например С1)

151

(рис. 7.2, е). Инвертор DD1.1 при заряде конденсатора С1 находится в единичном состоя­ нии и учтен на эквивалентной схеме величинами Евых и /?ВЬ1Х. Уровень выходного напря­

нулю. Исходное входное напряжение ивх2 до начала регенеративного процесса в мульти­

При ограничениях на сопротивления времязадающих резисторов R1 и R2, в соответ­ ствии с выражением (7.3), обеспечивающих мягкий режим возбуждения мультивибратора, скважность генерируемых импульсов определяется допустимыми искажениями их формы, т. е. выражениями (7.5). Действительно, за время заряда конденсатора С2 с большой по­ стоянной времени т2 входное напряжение нвх2, изменяющееся по закону (7.4) с малой по­

стоянной времени тп < т2, не должно превысить значение £/„, т. е. выйти на динамический

участок передаточной характеристики ИЛЭ DD1.2 (см. рис. 7.1, б). С учетом выражений (7.5) , (7.9) и (7.12)

Расчет, выполненный по формуле (7.13) при типовых значениях параметров микросхем ТТЛ (см. табл. 7.1), показывает, что Q = 3...6. Таким образом, условия мягкого режима возбуждения и требования к форме выходных импульсов накладывают ограничения на*

152

предельное значение скважности. Без принятия специальных мер, предотвращающих жест­ кое возбуждение, рассматриваемый мультивибратор нецелесообразно применять для получения выходных импульсов с большой скважностью.

Для получения больших значений Q следует использовать мультивибратор с автоуправляемым смещением [39], принципиальная схема которого изображена на рис. 7.3, а. Введение ИЛЭ DDI.3, входы которого подключены к выходам ИЛЭ DD1.I и DD/.2, а вы­ ход — к времязадающим резисторам, исключает такое состояние в мультивибраторе, при котором на обоих выходах инверторов одновременно устанавливаются единичные напря­ жения, что обеспечивает мягкий режим его возбуждения. Действительно, в случае появле­ ния на входах инверторов DD1.1 и DD1.2 уровней напряжений, соответствующих единич­ ным состояниям, на выходе ИЛЭ DD1.3, вследствие одновременного наличия двух еди­ ничных сигналов на его входах, устанавливается уровень напряжения, соответствующий логической единице, т. е. на времязадающие резисторы R1 и R2 подается положительное смещение. Входные напряжения инверторов при этом возрастают и, при выходе рабочих

ниях, то на одном из входов ИЛЭ DD1.3 будет постоянно действовать нулевой сигнал, а следовательно, на его выходе будет поддерживаться на­ пряжение нулевого уровня.

Для мультивибратора с автоуправляемым смещением £/вх < L/®

(7-Н)

Тогда критерием максимальной скважности генерируемых импульсов для него будет слу­ жить не требование к их форме, а сохранение работоспособности мультивибратора при су­ щественно различных величинах емкостей времязадающих конденсаторов С1 и С2. В этом случае необходимо учесть время разряда конденсаторов через смещенный в прямом направ­ лении защитный диод. Эквивалентная схема разряда конденсатора, например С2, показа­

инвертора DDL1 стремится к величине, определяемой выражением (7.1).

Если минимальную длительность генерируемого импульса ограничить величиной 1р.

а длительность /р находится с помощью эквивалентной схемы (рис. 7.3, б) и закона измене­

153

3.Сопротивления времязадающих резисторов мульти­ вибратора с автоуправляемым смещением, согласно выра­ жениям (7.14) и (7.19), рекомендуется выбирать в преде­ лах 0,4...1,7 кОм.

4.Отношения уровней напряжения на переднем и зад­ нем фронтах импульсов мультивибраторов без и со смещением определяются выражением (7.11) и, с учетом соотношений

(7.2), (7.9), (7.14) и (7.19), составляют величины Ип фШ3 ф= = 0,89; ^п.ф/^з.ф ~ 0,77 соответственно, что свидетельствует о близости формы выход­

ных импульсов к прямоугольной.

5. Так как пределы возможного изменения сопротивлений времязадающих резисторов сравнительно невелики, то максимальная и минимальная частоты следования выходных импульсов мультивибраторов определяются в основном емкостями навесных времязадаю­ щих конденсаторов. Однако последние одновременно выполняют функцию звена положи­ тельной обратной связи в мультивибраторах, а следовательно, влияют на длительности переднего и заднего фронтов генерируемых импульсов.

6 . При разряде конденсаторов через смещенные в прямом направлении защитные дио­ ды выходной ток инвертора, находящегося в нулевом состоянии, резко возрастает и в со­ ответствии с выражением (7.20), при упоминавшихся данных, составляет величину около 40 мА, что превышает паспортное значение допустимого выходного тока ИЛЭ ТТЛ (см. табл. 7.1) Хотя это превышение тока кратковременно, для его уменьшения последова­ тельно с диодами VD1 и VD2 следует включать резисторы с небольшими сопротивлениями.

Если при проектировании в наличии имеются лишь ИЛЭИЛИ—НЕ ТТЛ, то мульти­ вибратор с перекрестными резисторно-емкостными связями выполняется по схеме, показан­ ной на рис. 7.4 (ИЛЭ приняты четырехвходовыми).

При использовании т-входовых ИЛЭ ИЛИ—НЕ ТТЛ, (т — 1) незадействованных входов подключаются к общей шине. При т ^ 3 все входы объединяются. Если не подклю­ чить хоть один из входов к общей шине или не объединить с остальными входами, ИЛЭ будет постоянно находиться в нулевом состоянии.

Мультивибратор с двухпетлевой обратной связью на ИЛЭ И—НЕ ТТЛ с времязадающими 7?С-цепями (рис. 7.5, а) имеет некоторые преимущества по сравнению с мультиви­ братором с перекрестными резисторно-емкостными обратными связями. ИЛЭ DD1.1 и DDL2 здесь включены по схеме R 5-триггера с инверсными входами. Переключение триг­ гера из одного квазпустойчивого состояния в другое производится управляющими сигна­ лами с ВЗЦ R l, С1 и R2, С2 (вида 1, см. гл. 3.11).

Принцип работы мультивибратора заключается в следующем. Если в исходном состо­

ментов мультивибратора {t = на рис. 7.5, б). В этот момент в мультивибраторе действу­ ют две петли положительной обратной связи: одна через ВЗЦ Rl, С1 по второму входу МЭТ ИЛЭ DD1.2t другая — через ИЛЭ DDLI по первому входу МЭТ ИЛЭ DDL2

154

(рис. 7.5, а). После опрокидывания мультивибратора ИЛЭ DDI.2 устанавливается в единич­ ное состояние и начинается процесс заряда конденсатора С2 с постоянной времени т2 и раз­ ряда конденсатора С/.

На рис. 7.5, в изображена принципиальная схема ИЛЭ DDJ.2 с ВЗЦ Rl, С1 при нуле­ вом состоянии ИЛЭ DD1.1 На первом входе МЭТ, после окончания регенеративного про­

цесса в мультивибраторе, происходит скачкообразное уменьшение напряжения суг Ui до

Un — £ вых (рис. 7.5, б) и, следовательно, переход база—эмиттер первого входа МЭТ ока­

зывается смещенным в обратном направлении под воздействием напряжения и бэ2 + и'п —

— ^пых» где ^бэ2 — напряжение на смещенном в прямом направлении участке база—эмит­ тер второго входа МЭТ ИЛЭ DD1.2.

По окончании заряда конденсатора С2 и возвращения ИЛЭ в исходные состояния (/ = t3 на рис. 7 .5 , б) скачкообразно увеличивается напряжение пвх2 от 0 до величины

t/BX. Далее заряжается конденсатор Cl (t > t3 на рис. 7.5, б). Описанные процессы перио­

дически повторяются.

Для обеспечения работоспособности мультивибратора и мягкого режима его возбуж­ дения сопротивления времязадающих резисторов R1 и R2 выбираются так, чтобы, при от­ сутствии колебаний (например, при С* = С2 = 0 ), рабочие точки ИЛЭ DD1.1 и DD1.2 находились на динамических участках их передаточных характеристик. Согласно выраже­ ниям (7.2) и (7.3), это возможно при

При невыполнении неравенства (7.21) слева мультивибратор, после подключения напря­ жения источников питания микросхем, может оказаться в таком состоянии, при котором на обоих его выходах установятся напряжения с высокими уровнями. Вывести мульти­ вибратор из такого состояния можно только внешшгм воздействием. При невыполнении неравенства (7 .2 1 ) справа мультивибратор неработоспособен ввиду отсутствия условий для переключения ИЛЭ. Выполнение неравенств (7.21) обеспечивает мягкий режим само­

возбуждения мультивибратора.

Времена восстановления исходного состояния мультивибратора /в1 и ^ (рис. 7.5, б),

согласно эквивалентной схеме (см. рис. 7.2, г) и временным диаграммам напряжений, при пренебрежимо малом времени разряда конденсаторов через открытый диод VDI или VD2

153

Так как всегда выполняется неравенство £/„ > 0, то в мультивибраторе с двухпетлевой

обратной связью отсутствуют характерные для мультивибратора с перекрестными резис­ тивно-емкостными обратными связями искажения формы выходных импульсов.

Длительности выходных импульсов рассматриваемого мультивибратора ограничены величинами / н1 > ?в2 и /и2 > /в1. При этом

При необходимости частоту следования выходных импульсов можно повысить, положив /и1 < ^в2 » ^и2 < ^в1*Длительности импульсов в этом случае будут определяться трансцен­

дентными соотношениями (7.7) и (7.8).

Максимальная скважность генерируемых импульсов мультивибратора ограничена временем разряда конденсаторов С1 или С2 через открытые диоды VD1 или VD2 и опреде­ ляется выражением (7.18). Однако сопротивления времязадающих резисторов R1 и R2 в этом случае отличаются более широким диапазоном возможного изменения н ограничены сверху не соотношением (7.14), а соотношением (7.21) справа.

Нижний предел сопротивлений времязадающих резисторов, ограниченный условием мягкого режима возбуждения (7.21) слева, можно уменьшить, применив схему автоуправ-

тор принудительно устанавливается в одно из своих квазиустойчивых состояний, что спо­

собствует мягкому режиму возбуждения. В мультивибраторе на рис. 7.6, б &то обеспечи­ вается отрицательной резисторной обратной связью, действие которой, при выполнении неравенства (7.21) справа, выводит рабочие точки ИЛЭ DD1.1 и DD1>2 на Динамические участки их передаточных характеристик. Минимальный предел сопротивлений времяза­

дающих резисторов в мультивибраторах с автосмещением ограничен условием £/вх > U\

и определяется соотношением (7.19). Отношение уровней напряжения на переднем и зад­ нем фронтах выходных импульсов, а также максимальное значение выходного тока ИЛЭ определяются из выражений (7.11) и (7.20).

Сравнивая количественные характеристики мультивибраторов с Двухпетлевой обрат­ ной связью (рис. 7.5, а, рис. 7.6, а, б) и мультивибраторов с перекрестными резисторноемкостными обратными связями (см. рис. 7.2, а и рис. 7.3, а) при типовых значениях пара­ метров микросхем ТТЛ (табл. 7.1) можно сделать следующие выводы:

1 . Сопротивления времязадающих резисторов мультивибратора без автоуправляемого смещения (рис. 7.5, а) определяются из неравенства (7.21) и лежат в пределах 1.7...

...4.3 кОм, а максимальная скважность импульсов Q = 21...24.

156

2 . Для мультивибраторов с автоуправляемым смещением (рис. 7 .6 , а и б) сопротивле­ ния резисторов RI и R2 определяются соотношениями (7.21) справа, (7.19) и лежат в пре­ делах 0,4...4,3 кОм при том же значении скважности Q = 21...24.

К основным преимуществам мультивибраторов с двухпетлевой обратной связью от­ носятся:

уменьшение времени восстановления исходного состояния fBt определяемое процес­ сом разряда времязадающих конденсаторов, что позволяет повысить скважность выходных импульсов, расширить пределы возможного изменения сопротивлений времязадающих резисторов, исключить искажения формы выходных импульсов и улучшить условия воз­ буждения мультивибраторов;

малое влияние емкостей времязадающих конденсаторов на длительности фронтов гене­ рируемых импульсов, так как они не входят в цепь основной положительной обратной связи, роль которой выполняет непосредственное включение ИЛЭ;

наличие двухпетлевой положительной обратной связи во время регенеративных про­ цессов, улучшающей частотные свойства мультивибраторов.

Навесные элементы (R и С) мультивибраторов с резистовно-емкостными обратными связями на ИЛЭ ТТЛ рассчитываются по формулам (7.2), (7.3), (7.5), (7.9), (7.10), (7.14), (7.16), (7.21) и (7.25). Например, рассчитаем мультивибратор для формирования меандровой последовательности импульсов с tH= 10 мкс. Так как требования к скважности им­ пульсов (Q = 2 ) и частоте их следования / = V2 невелики, то выбираем мультивибратор без автоуправляемого смещения (см. рис. 7.2, а) на ИЛЭ И—НЕ, например серии 155. Оь противление навесных резисторов выбираем в пределах, определяемых соотношениями (7.2), а емкость навесных конденсаторов отыскиваем по формуле (7.9). При типовых зна­ чениях параметров микросхем серии 155 из табл. 7.1 находим: R = 3 кОм, С = 3000 пФ.

3. МУЛЬТИВИБРАТОРЫ НА ИЛЭ ТТЛ С ПЕРЕЗАРЯДОМ КОНДЕНСАТОРА ВЗЦ

Стабильность длительности выходных импульсов и эффективность генератора на ИЛЭ ТТЛ, по сравнению с мультивибраторами с резисторно-емкостными обратными связями, повышается в мультивибраторе с перезарядом конденсатора ВЗЦ (см. табл. 3.5).

Мультивибратор выполняется на двух ИЛЭ И—НЕ ТТЛ DDL1 и DD1.2, включенных по схеме RS-триггера с инверсными входами (рис. 7.7, а), или на четырех ИЛЭ ИЛИ—НЕ ТТЛ, два из которых DD1.1 и DD1.2 включаются по схеме ^5-триггера с прямыми входа­ ми, а два других — DPL3 и DD1.4 — выполняют роль инверторов (рис. 7.7, б). Триггер

переключается под воздействием управляющих сигналов с ВЗЦ, содержащей времязадающне резисторы R lt R2 и конденсатор С. Диоды VD1 и VD2 обеспечивают перезаряд кон­ денсатора С, а диоды VD3 и VD4 являются защитными и предохраняют ИЛЭ от перенапря­

жения по входам.

Применение ВЗЦ с перезарядом конденсатора позволяет повысить стабильность часто­ ты следования генерируемых импульсов и увеличить удельные длительности генератора. Кроме того, в такой ВЗЦ отсутствует процесс восстановления исходного состояния. Даль­ нейшее увеличение пределов изменения времязадающего напряжения возможно при вве­ дении дополнительного зарядного напряжения отрицательной полярности £ 3, подключае­

мого к времязадающим резисторам (рис. 7.8).

Работу генераторов рассмотрим на примере мультивибратора с дополнительным ис­ точником зарядного напряжения (рис. 7.8, о).

157

После очередного опрокидывания мультивибратора начинается перезаряд конденса­ тора по одной из цепей: выход ИЛЭ, находящегося в единичном состоянии, DD1.1 или DD1.2, открытый диод VDI или VD2, конденсатор С, зарядный резистор R1 или R2, источник напряжения — Е3 (— £ э1 или — Ез2 при использовании двух раздельных источ­

ников). По мере перезаряда конденсатора одно из входных напряжений мультивибратора (иъх2 на Рис- 7.8, б или ивх1) экспоненциально уменьшается от Zfmax, стремясь к —Е3 (—Ез] на рис. 7.8, б): £ тах — максимальное значение напряжения на входах ИЛЭ в момент

1 \

rvi

с,LJ

дтак, чтобы при отсутствии колебаний в мультивибраторе

на динамических участках их передаточных характеристик. При принятой на рис. 7.1,6 аппроксимации передаточных характеристик ИЛЭ ТТЛ указанное положение рабочих то­ чек обеспечивается при

=— UQ , ^ni = UD — пороговые напряжения ИЛЭ ТТЛ с учетом защитных

диодов, определяемые в соответствии с аппроксимированной для этого случая передаточ­ ной характеристикой (рис. 7 .8 , в).

При невыполнении условия (7.26) справа ИЛЭ, согласно передаточной характеристике (рис. 7.8, в), не сможет перейти в единичное состояние и мультивибратор не переключится. Невыполнение условия (7.6) слева может привести к жесткому режиму возбуждения коле­ баний, когда при включении источников питающих напряжений на входах обоих ИЛЭ действуют напряжения с нулевыми уровнями, что вызывает высокие устойчивые напряже­ ния на их выходах. При выполнении неравенств (7.26) в мультивибраторе обеспечивается мягкое самовозбуждение.

158

С учетом эквивалентной схемы входной цепи генератора (рис. 7.8, г) из выражения (7.26) следует, что

Где R3 = Ri = R2. В соотношениях (7.27) и (7.28) не учтены сопротивления rD открытых

диодов.

Как видно из неравенств (7.27) и (7.28), введение дополнительного зарядного напряже­ ния отрицательной полярности позволяет увеличить в [E3/{Uxn — UD) + 1] раз зарядные

сопротивления и получить большие длительности генерируемых импульсов при неизмен­ ных емкостях времязадающего конденсатора. Однако введение этого напряжения увели­

чивает в IE3/(U^ — UD) + 1] раз минимально допустимые значения сопротивлений R3f

ограниченные условием мягкого режима возбуждения мультивибратора, что затрудняет получение высоких частот следования выходных импульсов при выбранных Е3 и С.

Для уменьшения длительностей генерируемых импульсов необходимо уменьшать

где E3 < U°n.

На графике R3 = f (£3) (рис. 7.8, д) показаны зоны возможных сопротивлений времязаДающих резисторов R3 мультивибратора с перезарядом конденсатора ВЗЦ в зависимости от значения зарядного напряжения (—5 В < Е3 < 0,5 В), построенные в соответствии е не­ равенствами (7.27) — (7.29) при типовых значениях параметров микросхем (см. табл. 7.1).

Для определения параметров выходных импульсов мультивибратора необходима эквивалентная схема перезаряда конденсатора С через один из времязадающих резисторов, например RI (рис. 7.8, е).

Согласно эквивалентной схеме

# 2 + ^ L x + rZ)

Так как цепи перезаряда конденсатора С в прямом и обратном направлениях идентич­ вы, то

159

Как видно из временных диаграмм напряжений на рис. 7.8, б, амплитуды скачков на­ пряжения на входах мультивибратора в момент регенеративных процессов его опрокиды­ вания

Япих 1 = 0 2 * 1 + " 2 x 2 - И п Р

(7.32)

£ т а х 2 = " Ов*2 + 0 2 х | - " п . -

Входные напряжения мультивибратора во время формирования импульсов Изменя­ ются по закону

Для получения больших скважностей импульсов необходимо использовать два равно­ полярных источника зарядного напряжения. В этом случае, например при R2 > с уче­ том соотношений (7.28) и (7.29)

При типовых значениях параметров микросхем ТТЛ (см. табл. 7.1) и при *з! = °» 4 В» = —10 В максимальная скважность импульсов мультивибратора с перезарядом кон-

160