Мультивибратор

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союэ Советскик Соцкапкстнческик Ресвубпнк(22) Заявлено 040779 (21) 2792450/18-21 заявки Ио сприсоединеии Н 0 8 Государственный комит СССР но делам изобретений и открытийПриоритетОпубликован еиь йЯ 37 7.1031, Бюлта опубликования описания 7.10 72) Авторы изобретения ицкий, С.В.Матвеев и Б.С.СамсонЬв. И. 1 Заявите(5 ТИВИБРАТОР бильая явля скважтные-траностоельно чен- торого Изобретение относится к электронным устройствам для генерирования колебаний прямоугольной формы и может использоваться для получения электрических импульсов заданной частоты5 и скважности в различных времязадающих устройствах.Известен мультивибратор, содержа-. щий двухтактные первый и второй каскады на МДП -транзисторах, времязадаю щую цепь, состоящую из соединенных последовательно конденсатора и резистора, включенную между выходами первого и второго каскадов, инвертор на МДП-транзисторе с резисторной на грузкой в цепи стока, вход которого подсоединен к месту соединения конденсатора и резистора времязадающей цепи, интегратор, первый резисторный делитель, дифФеренциальный усилитель и 20 второй резисторный делитель, причем инвертирующий вход интегратора подключен к выходу второго каскада, его неинвертирующий вход подключен к средней точке первого делителя,включенного между и: .юсами источника питания, а выход подключен к истоку транзистора инвертора, к стоку которого подсоединен неинвертирующий вход дифференциального усилителя, прямой ЗО выход которого подключен к затворам первого транзистора второго каскада и второго транзистора первого каскада, инверсный выход дифференциального усилителя подключен к затворам второго транзистора второго каскада и первого транзистора первого каскада, а инвертнрующий вход дифференциального усилителя подключен к средней точке второго делителя; включенного между истоком транзистора инвертора и полюсом источника питания 13 .Недостаток этого мультивибратора заключается в том, что при его использовании для генерирования пульсов большой скважности неста ность частоты импульсов увеличив ется более чем на порядок. Целью настоящего изобретени тся стабилизация частоты при ости больше двух,Для достижения указанной цел стройство, содержащеедвухтак ервый и второй каскады на.МДП исторах, времяэадающую .цепь,б ящую из соединенных посл,;оват онденсатора.;и резистора, боклю ую между выходами первог н вкаскадов, инвертор на МДП-транзисторе с реэисторной нагрузкой в цепи стока, вход которого подсоединен к месту соединения конденсатора и резистора времяэадающей цепи, интегратор, первый резисторный делитель,ддф ференциальный усилитель и второй ре 5 зисторный делитель, причем иннертирующий вход интегратора подключен к выходу второго каскада, его не" иннертирующий вход подключен к сред" ней точке первого делителя, включенного между полюсами источника питания, а выход подключен к истоку транзистора иннертора, к стоку которого подсоединен неинвертирующий вход дифференциального усилителя, прямой вы" ход которого подключен к затворам первого транзистора второго каскада и второго транзистора первого каска" да, инверсный выход дифференциального усилителя подключен к эатнорам 20 второго транзистора второго каскада и первого транзистора первого. каскадаа инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к средней точке второго делителя, включенного 25 между истоком транзистора инвертора и полюсом источника питания введены резистор и МДП-транзистор,соединенные последовательно между собой и подключенные параллельно резистору время/ 30 задающей цепи причем затвор транзистора присоединен к выходу дифференциального усилителя.На чертеже изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого мультинибратора.35Мультивибратор содержит двухтактные каскады на транзисторах 1 и 2, 3 и 4 соответственно, время- задающую цепь, состоящую из конденсатора 5 и резистора б, инвертор 40 на МДП-транзисторе 7 с резисторной нагрузкой 8, интегратор 9, дифференциальный усилитель 10, реэисторные делители 11 и 12, балластные резисторы 13 и 14, стабилитрон 15. Па раллельно резистору б времязадающей цепи включены последовательно соединенные резистор 16 и МДП-транзистор 17, играющий роль ключа.Транзисторы 1,2 и 3,4 выступают как бесконтактный переключатель для переключения времяэадающей цепи между полюсами источника питания мультивибратора. Инвертор 7 и дифференциальный усилитель 10 составляют порогоное устройство, служащее для управле ния бесконтактный переключателем на транзисторах 1-4. Резисторный де.литель 11 служит для выбора режима инвертора 7, соответствующего порогу, и напряжения среднего уровня 60 на входе дифференциального, усилителя 10. Интегратор 9 служит блоком сравнения .импульсного напряжения, действующего в точке соединения истока транзистора 3 и стока транзистора 4 с опорным напряжением, снимаемым с делителя 12, а также усилителем сигнала ошибки, выходное напрйжение которого определяет уровень напряжения на затворе транзистора 7, при котором происходит срабатывание порогового устройства. Соотношение сопротивлений плеч делителя 12 определяет скважность импульсов, генерируемых мультивибратором.Резисторы 13 и 14 являются балластными резисторами параметрического стабилизатора на стабилитроне 15.Параметрический стабилизатор служит источником питания, к одному из полюсов которого присоединены стоки транзисторов 1 и 3 непосредственно и с-ок транзистора 7 - через резистор нагрузки 8, а ко второму - истоки транэисторон 2 и 4. Второй полюс источника питания, как правило, используется как общий провод. Выбор напряжения источника питания для интегратора 9 и дифференциального усилителя 10, напряжения настабилитроне 15 и соотношения сопротивлений балластных резисторов 13 и 14 определяет достаточность уровня ныходных сигналов упомянутых усилителей при напряжении сигнала среднего уровня на входе интегратора 9, близкой к нулю. Резистор 16 служит для уменьшения сопротивления времязадающей цепи н один из полупериодов работы мультивибратора. Транзистор 17 играет роль ключа и служит для подключения резистора 16 и нремязадающей цепи в упомянутый период.Выходом мультинибратора служит место соединения истока транзистора 3 и стока. транзистора 4. Место соединения истока транзистора 1 и стока транзистора 2 может служить выходом мультивибратора с противоположной фазой импульсов.Работает мультинибратор следующим образом.Допустим, что в момент включения транзистор 7 открыт и напряжение на его стоке ниже, чем напряжение в средней точке делителя 11 настолько, что дифференциальный усилитель оказывается в режиме ограничения напряжения выходных сигналов. Тогда к затворам транзисторов 2 и 3 с первого выхода дифференциальйого усилителя приложено запирающее напряжение, а к затворам транзисторов 1,4 и 17 со второго выхода этого усилителя-отпирающее напряжение, причем благодаря высокому уровню выходных напряжений транзисторы 2 и 3 полностью заперты , а транзисторы 1,4 и 17 открыты. Напряжение питания дифференциального усилителя подобрано таким образом, что величина выходного напряжения достаточна, чтобы транзистор 1 при его отпирании работал как ключв инверсном включении, так же как в другом квазиустойчивом состоянии мультивибратора работает транзистор 3,Ток заряда конденсатора 5 протекает от источника питания, стабилизированного стабилитроном 15, через пол ностью открытый транзистор 1, конденсатор 5, резистор б, соединенный с ним параллельно через транзистор 17, резистор 16 и полностью открытый транзистор 4, поддерживая на затворе транзистора 7 отпирающий потенциал за счет падения напряжения на резисторе б. По мере заряда конденсатора ток заряда уменьшается, уменьшается напряжение на резисторе б, открывающее транзистор 7, уменьша ется ток стока этого транзистора. Когда ток стока транзистора 7 упадет до такой величины, при которой напряжение на его стоке станет близким к напряжению в средней точке делите ля 11, напряжения на выходах дифференциального усилителя, вышедшего из режима ограничения выходного сигнала, изменяются таким образом, что транзисторы 1 и 4 призакрываются, а транзисторы 2 и 3 приоткрываются, причем каскады, собранные на них по схеме истоковых повторителей с динамическими нагрузками, входят также в линейный режим.30Это.,цриводит к тому, что включается цепь положительной обратной связи через конденсатор 5 на зат- . вор транзистора 7, что в свою очередь 35 приводит к ускорению падения тока этого транзистора, увеличению напряжения на его стоке, подключенном ко входу дифференциального усилителя, ускорению соответствующих изменений напряжений на его выходах; увеличе нию токов транзисторов 1 и 4 и уменьшению токов транзисторов 2 и 3, т.е. процесс носит лавинообразный характер. Этот процесс проходит тем быстрее, чем больше коэффициент 45 усиления дифференциального усилителя, и следовательно, скорость изменения напряжения на его выходах. Заканчивается процесс перехода мультичибратора в новое квазиустойчивое состояние при переходе дифференциального усилителя 10 в режим ограничения, а транзисторов 1,2,4 и 3 - в ключевой режим, соответствующий запертым транзисторам 1 и 455 и отпертым 2 и 3. Вместе с транзисторами 1 и 4 запирается транзистор 17, отключая резистор 16 от времязадающей цепи.За счет того, что в схеме используется дифференциальный усилитель с 60 высоким коэффициентом усиления и . достаточным быс .родействием, время перехода в ноно.-. квазиустойчивое состояние мультивибратора пренебрежкмо мало по отношению ко времени его 65 пребывания в квазиустойчивом состоянии, и можно считать, что этому переходу соответствует определенная величина напряжения опрокидывания назатворе транзистора 7(ОО). К моментуопрокидывания мультивибратора конденсатор 5 заряжается до напряжения,равного разности между напряжениемпитания, заданного стабилитроном 15(Оп) и напряжением на резисторе б,которое в этот момент равно на; ряжению опрокидывания(Оо),В начале полупериода, соответствующего новому квазиустойчивому состоянию мультивибратора, на затворЕ транзистора 7 действует напряжение, доькоторого был заряжен конденсатор 5во время предшествующего кваэиустойчивого состояния мультивибратора, вполярности, запирающей транзистор 7.При этом напряжение на стоке транзистора 7 больше, чем напряжение в средней точке делителя 11. Напряжение навыходах дифференциального усилителя10 приложенное к затворам транзисторов 3, 2 и 4,1, 17, открывает первыеи запирает вторые в ключевом режиме.В течение полупериода идет перезаряд конденсатора 5 времязадающейцепи под действием действующей на нейразности потенциалов, определяемойкак арифметическая сумма напряжений источника питания и напряжения,до которого был заряжен конденсатор5 к началу полупериода. По мерепереэаряда конденсатора 5 напряжение на нем и на затворе транзистора 7 возрастает и изменяет полярность.Когда напряжение на затворе транзистора 7 возрастает до такой величины,что вследствие возрастания величинытока стока напряжение на его стокеупадет до величины, близкой к напряжению в средней точке делителя 11,напряжение, действующее между входами дифференциального усилителя 10,уменьшится до величины, соответствующей выхбду этого усилителя из режимаограничения напряжений на выходах.Напряжение на выходах дифференциального усилителя 10 начнет изменяться таким образом, что транзисторы 1 и 4 приоткроются, а транзисторы 2 и 3 начнут закрываться, причемкаскады соответствующих повторителейработают в этот момент в линейномрежиме, вследствие чего быстро возрастает напряжение на стоке транзистора 1. Это возрастание напряжениячерез конденсатор 5, входящий в цепьположительной обратной связи, передается на затвор транзистора 7, что вызывает ускорение падения напряженияна его стоке, и следовательно, процесс приобретает лавинообразный характер. Опрокидывание мультивибратора, т.е. переход его в следукщееквазиустойчивое состояние, заканчивается тем, что дифференциальный уси 871305литель переходит вновь в режим ограничения напряжений на его выходах при полярностах этих напряжений, противоположных существовавшим в предыдушем полупериоде. Этот предыдущий полупериод заканчивается как и первый иэ рассмотренных выше квазиустойчивых состояний при напряжении на затворе, равном напряжению опрокидывания (О).Действительно, опрокидывание мультивибраторапроисходит при приближе-. нии напряжения, на стоке транзистора 7 к напряжению в средней точке делителя 11, а следовательно при том же токе стока и напряжении на затворе транзистора 7, что и при )5 выходе иэ первого иэ рассмотренных выше квазиустойчивых состояний мультивибратора. Изложенное справедливо, поскольку в течение по крайней мере двух полупериодов работы мульти О вибратора напряжение на истоке транзистора 7 практически неизменно, так как интегратор 9 имеет постоянную времени на несколько порядков большую времени полупериода. Таким образом, рассмотренный полупериод заканчивается, когда конденсатор 5 заряжается до напряжения опрокидывания.Учитывая, что перезаряд конденсатора в этом полупериоде начинался с напряжения на нем, полученного в результате заряда во время первого после включения квазиустойчивого состояния (О- О), а при переэаряде напряжение на конденсаторе стремится по экспонеыциальному закону к напря-жению питания, равному напряжению на стабилитроне 15 (О), что конец полу- периода соответствует напряжению на конденсаторе 5, равному напряжению опрокидывания (Ор), а постоянная вре мени цепи перезаряда определяется сопротивлением резистора 6 и емкостью конденсатора 5 и, так как влиянием сопротивления транзисторных ключей можно пренебречь, длительность 45 полупериода, определяется по формуле10 п- О)п- )о50Здесь постоянная времени ьл определяется сопротивлением резистора 6 и емкостью конденсатора 5.В начале следующего рассматривае- мого полупериода отпирающее напряже ние на затворе транзистора 7 равно сумме напряжения, до которого зарядился конденсатор в предыцущей полу- период, и напряжения питания, определяемого стабилитроном 15. Во время щ этого полупериода идеФ перезарядконденсатора, который продолжается до тех пор, пока напряжение на резисторе 6 и затворе транзистора 7 не уменьшится до напряжения опроки- ,б 5 дывания, устройство перейдет в другоеквазиустойчивое состояние и начнетсяновый полупериод, повторяющий тот,длительность которого определена поформуле Ы ,Длительность второго полупериодамультивибратора (51) определяется экспоненциально спадающим напряжениемиа резисторе 6. Величина этого напряжения стремится к нулю от первоначального значения, равного сумме напряжения опрокидывания и напряжения питания мультивибратора (О + О). ПолУпериод кончается при йапряжении нарезисторе 6, равном напряжению опрокидыванияВ формуле (2)постоянная времени вре)язадающей цепи определяется сопротивлением резисторов 6,. 16 и емкостью конденсатора 5,Из (1) и (2) скважность (Я) и частота (1 ) определяется как:РЧОпЬ - ; -о(3)л,(ОоОпИз (3) и (4) видно, что скважность и частота генерируемых мультивибратором импульсов при фиксированных величинах емкости конденсатора 5 и сопротивлений резисторов 6 и 16, определяющих постоянные времени 1 и Т зависят от напряжения питания мультивибратора и напряжения опрокидывания.Видно и то, что для сохранения неизменными скважности и частоты при изменении напряжения питания достаточно соответственно изменить напряжение опрокидывания. Видно также, что каждому значению скважности при фиксированных параметрах времязадающей цепи соответствует одно значение частоты. Введение в схемумультивибратора дифференциального усилителя 10 с большим коэффициентом усиления обеспечивает переход мультивибратора из одного квазиустойчивого состояния в другое и обратно, а практически при од . ном и том же напряжении опрокидывания на затворе транзистора 7 и малую длительность перехода, а работа транзисторов 1,2 и 3,4, включенных10 871305 10 в каскады, собранные по схеме истоковых повторителей с динамическими нагрузками, в ключевом режиме квазиустойчивых состояниях мультивибратора обеспечивает во все время каждого иэ кваэиустойчивых состояний подключение к времязадающей цепи полного напряжения стабилитрона 15,Таким образом, формулы (3) и(4) применительно к вышеописанной работе схемы мультивибратора в достаточной степени корректны, и можно, в соответствии с выводами из этих формул,стабилизировать скважность и, следовательно, частоту импульсов путемуправления величиной напряжения опрокидывания. Работа соответствующей части схемы протекает следующим образом. После включения на выходе интегратора возникает напряжение, величина которого равна напряжению в средней точке делителя 12. Это напряжение,2 О будучи приложенным к истоку транзистора 7 и одному из выводов делителя 11, определяет напряжение опрокидЫвания мультивибратора, так как с одной стороны задает смещение в цепи писток-затвор" транзистора 7, а с другой - определяет напряжение среднего уровня на входе дифференциального усилителя 10Если скважность генерируемых после включения импульсов больше расчетной, т.е. среднее значение напряжения на выходе мультивибратора и на инвертирующем входе интегратора меньше, чем в средней точке делителя 12, подключенного к инвертирующему входу, напряжение на выходе интегратора растет, как и напряжение смещения на истоке транзистора 7, а следовательно, и напряжение на его затворе, при котором ток стока достигает величины, соответствукицей равенству напряжения на стоке напряжению в средней точке делителя 11.1Ослабление влияния величины выходного напряжения интегратора усилите ля за счет подключения делителя 11к его выходу несущественно, так как по отношению к выходному напряжению интегратора 9 транзистор 7 оказывается включенным В схему усилителя с 50 общим затвором, а делитель 11 в широком диапазоне регулирования скважности обеспечивает опрокидывание мультивибратора не при экстремальных, а при средних значениях тока стока транзистора 7, соответствующих более 55 высокой стабильности его параметров. Рост напряжения на выходе интегратора и на истоке транзистора 7 вызывает, таким образом, увеличение напряжения, опрокидывания и уменьшение скважности. импульсов на выходе мультивибратора.Процесс продолжается до тех пор, пока среднее значение напряжения импульсов на выходе мультивибратора не станет равным напряжению в средней 5 точке делителя 12, соотношение плечкоторого выбирается так, что напряжение в средней точке обратно пропор ционально выбранной скважности, соответствующей заданной частоте при определенных параметрах времязадающей цепи. Если при включениимультивибратора скважность импульсов оказывается меньше расчетной, среднее значение напряжения импульсов, действукщихна инвертирующем входе интегратора 9,оказывается большим, чем напрякениев средней точке делителя 12, подключенной к неинвертирукщему входу это- . го усилителя, и напряжение на его выходе, соединенном с истоком транэистора 7, уменьшается, При этом, как было показано вьзие, уменьшается напряжение опрокидывания и увеличиваетсяскважность импульсов, Процесс заканчивается, когда скважность ичастота импульсов станут равными расчетным, заданным соотношением плеч делителя 12.Если в установившемся после включения режиме изменятся частота искважность генерируемых мультивибратором импульсов из-за нестабкйьности напряжения источника питания илипараметров порогового устройства,то это проявится как неравенствосреднего значения напряжения на выходе мультивибратора и напряжения всредней точке, делителя 12, т.е.на входах интегратора 9, что вызывает соответствующее изменение напряжения на его выходе и компенсирукщееуход скважности и частоты изменениенапряжения опрокидывания. Таким образом, в мультивибраторе осуществляется стабилизация скважности и частоты генерируемых им импульсов привоздействии дестабилизирующих Факторов, вызывающих изменение напряженияпитания и параметров элементов схе-мы,Анализ Формул (3)и (4) позволяет.определить для каждого значения скйатности Я отношением 31, соответствующее максимальной стабильности час.тотыпри изменении напряжения питания О или напряжения опрокидывания 0 оВеличина этого отношения в зависимости от параметра , определяющего также частоту и скважность,выражается формулой:Ои )(0 )Оо ОООп- +)ОоиТаким образом, соотношение1найденное для данной частоты и скважности из 3) и (4) , определяет соотношение сопротивлений резисторов би 16, обеспечивающее максимальнуюстабильность частоты импульсов, генерируемых мультивибратором.