Мультивибратор

Оп ИКАНИЕИ ЗОБРЕТЕ Н ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(23) П риорнтет Опубликовано 30.05.80. Бюллетень %20Дата опубликования описания 02,06.80 до делам изобретений и открытий(54) МУЛЬТИВИБРАТОР Изобретение относится к электроннымустройствам для генерирования колебанийпрямоугольной формы и может использоваться для получения электрических импульсов заданной частоты и скважностив различных времязадающих устройствах,Известны мультивибраторы на МДПтранзисторах с нагрузочными транзисторами в стоковой цепи и с перекрестнойемкостной связью между затвором одногоключевого транзистора и стоком другого;в каждую из времязадающих цепей муль.тивибратора включен транзистор, затворкоторого подключен к средней точке делителя напряжения питания на двух транаисторах, у которых затворы соединены состоками 1.Недостаток данных устройств заключается в том, что нестабильность напряже-ния источника питания и параметров гранэисторов вызывает нестабильность частоты и скважности импульсов, генерируемыхмупьтивибра тором,Известны также мультивибраторы, содержащие первый и второй двухтактныекаскады на МДП-транзисторах, времязадаюшую цель, инвертор на МДП-транзисторе 5с резистивной нагрузкой в цепи стока 2Указанные мультивибраторы имеют недосгаточную стабильность частоты и скважности генерируемых импульсов.Цель изобретения - стабилизация частоты и скважности генерируемых импульсов.Для достижения указанной цели в устройство, содержащее двухтактные первыйи второй каскады на МДП-транзисторах,времяэадаюшую цепь, состояшую из соединенных последовательно конденсатора ирезистора включенную между выходамипервого и второго двухтактных каскадов,инвертор на МДП-гранзисторе с резистивной нагрузкой в цепи стока, вход которого подсоединен к месту соединения конденсатора и резистора времязадающей пепи,.введейы интегратор, первый резистивныйделитель, дифференциальный усилитель ивторой реэистивный делитеиь,причем ин8107 от го им то 5 нь бил чес тро 10 вого МДП-транзистора второго двухтактно- тра3 73 вертируюший вход интегратора подключен к выходу второго двухтактного каскада, его неинвертирующий вход подключен к средней точке первого реэистивного делителя, включенного между полюсами источника питания, а выход подключен к истоку МДП-транзистора инвертора, к стоку которого подсоединен неинвертирующий вход дифференциального усилителя, прямойвыход которого подключен к затворам пер.го каскада и второго МДП-транзисторапервого двухтактного каскада, инверсныйвыход дифференциального усилителя подключен к затворам второго МДП-транзистора второго двухтактного каскада и первого МДП-транзистора первого двухтактного каскада, а инвертируюший вход дифференциального усилителя подключен ксредней точке второго реэисторного дели/теля включенного между истоком МДПтранзистора инвертора и полюсом источника .питания.На чертеже представлена схема предпагаемого мультивибратора,Мультивибратор содержит первый ивторой двухтактные каскады на гранзис-.горах 1 и 2, 3 и 4 соответственно, вре.мяэадающую цепь, состоящую из конденсатора 5 и резистора 6, инвертор 7 на МДП-тран,.эисторе с реэистивной нагрузкой 8, интегра-,тор 9, дифференциальный усилитель 10, первый и второй резистивные делители 1 1 и 12,. балльстные резисторы 13 и 14 стабилитрон 15.Транзисторы 1, 2 и 3, 4 выступают как бесконтактный переключатель для переключения времяэадаюшей цепи междуполюсами источника питания мупьтивибратора, Инвертор.7 и дифференциальныйусилитель 10 составляют пороговое уст-.ройство, служащее для управления бесконтактным переключателем на транзисторах1, 2, 3 и 4. Резистивный делитель 11служит для выбора режима инвертора 7,соответствующего порогу, и "велйчййй напряжения среднего уровня на входе дифференциального усилителя 10, Интегратор9 служит блоком сравнения значения импульсного напряжения, действующего вточке соединения истока транзистора 3 истока транзистора 4 с опорным напряжением,"снимаемым с резистивного делителя 12, а также усилителем сигнала ошибки, выходное напряжение которого определяет уровень напряжения на затворетранзистора 7, при котором происходитсрабатывание порогового устройства, Со 4ношение сопротивлений плеч резистивноделителя 1 2 определяет скважностьпульсов, генерируемых мультивибраром,,Резисторы 13 и 14 являются балластми резисторами параметрического стаизатора на стабилитроне 15. Параметрикий стабилизатор напряжения на стабипине 15 служит источником питания, к одноиэ полюсов которого присоединены стокинэисторов 1 и 3 непосредственно и стоктранзистора 7 через резистор 8 нагрузки,а ко второму - истоки транзисторов 2 и4, Второй полюс этого источника питания15 как правило, используется как общий провод. Выбор напряжения источника питаниядля интегратора 9 и дифференциальногоусилителя 10, напряжение на стибилитроне 15 и соотношения сопротивлений бал 20 ластных резисторов 13 и 14 определяетдостаточность уровня выходных сигналовупомянутых усилителей при напряжениисигнала среднего уровня на входе интегратора 9, близком к нулю.25 Выходом мультивибратора служит место соединения истока транзистора 3 истока транзистора 4, Место соединенияистока транзистора 1 и стока транзистора 2 может служить выходом мультивиб 30 ратора с противоположной фазой импульсов.Мультивибратор работает следующимобразом.Если в момент включения транзистор35 7 открыт и напряжение на его стоке ниже, чем напряжение в средней точке резистивного делителя 11 настолько, чтодифференциальный усилитель оказываетсяв режиме ограничения напряжения выход 40 ных сигналов, то к затворам транзисторов2 и 3 с первого выхода дифференциального усилителя прилагается запирающее напряжение, а к затворам транзисторов 1 и4 со второго выхода этого усилителя -45 отпирающее напряжение, причем благодарявысокому уровню выходных напряженийтранзисторы 2 и 3 полностью заперты, атранзйсторы 1 и 4 открыты. Напряжениепитания дифференциального усилителя по 50 добрано таким образом, что величина выходного напряжения достаточна, чтобытранзистор 1 при его отпирании работалкак ключ в инверсном включении, так жекак в,другом квазиустойчивом состояниимультивибратора работает транзистор 3.Ток заряда конденсатора 5 протекает отисточника питания, стабилизированногостабнлитроном 15, через полностью от5 738107крытый транэисто 1 че ез кон ер, р .д нсатор ния, равного разности между напряжением5, резистор 6 и полностью открытый трап- питания заданного стабилитроном 15 (Оп )зистор 4, поддерживая на затворе тран- и напряжением на резисторе 6, котороезистор 7 отпирающий потенциал эа счет и этот. Момент равно напряжению опрокипадения напряжения на резисторе 6. По дывания (О). В начале полупериода, со-.мере заряда конденсатора ток заряда ответсгвующего новому квазиустойч нвомууменьшается, уменьшается напряжение на состоянию мультивибратора, на затворерезисторе 6, открывающее транзистор 7 транзистора 7 действует напряжение, доуменьшается ток стока этого транзистора. которого был заряжен конденсатор 5 воКогда ток стока транзистора 7 упадет до 11 время предшествующего квазиустойчивоготакой величины, при которой напряжение . остояния мультивибратора, в полярностина его стоке станет близким к напряже- запирающей транзистор 7, При этом нанию в средней точке реэистивного дели- пряжение на стоке транзистора 7 большетеля 11, тогда напряжение на выходах чем напряжение в средней точке реэистив-. дифференциального усилителя, вышедшего И ного делителя 11, напряжение на выходахиэ режима ограничения выходного сигйа- дифференциального усилителя, приложенное. ла, .изменяется таким образом, что трап- к затворам транзисторов 3, 2 и 4, 1, отзисторы 1 и 4 приэакрываются, а трап- крывает первые и запирает вторые в клюзисторы 2 и 3 приоткрываются, причем чевом режиме. В течение полупериода идет каскады, собранные на них.по схеме ис переэаряд конденсатора 5 времязадающейтоковых повторителей с динамическими цепи под действием разности потенциалов, нагрузками, входят также в линейный ре- действующей на ней, определяемой как жим. Это приводит к тому, что включает- арифметическая сумма напряжений источся цепь положительной обратной связи че- ника питания и напряжения, до которого рез конденсатор 5 на затвор транзистора 25 был заряжен конденсатор 5 к началу по, что, в свою очередь, приводит к уско- пупериода. По мере перезаряда конденсарению падения тока этого транзистора, тора 5 напряжение на нем и на затворе увеличению напряжения на его стоке, под- транзистора 7 возрастает и изменяет поключенном ко входу дифференциального лярность, Когда нвпряжение на затворе усилителя, ускорению соЬтветствующих иэ ЗО транзистора 7 возрастает до такой велименений напряжений на его выходах, уве- чины, что, вследствие возрастания величи личению токов транзисторов 1 и 4 и ны тока стока, напряжение на его стоке уменьшению токов транзисторов 2 и 3, падает до величины, близкой к напряжению т,е, процесс носит лавинообразный харак- в средней точке реэистивного делителя тер, Этот процесс проходит тем быстрее, И 11, напряжение, действующее между вхочем больше коэффициент усиления диффе- дами дифференциального усилителя 10, ренциального усилителя и, следовательно, уменьшается до величины, соответствую- скорость изменения напряжения на его щей выходу этого усилителя из.режима выходах. Заканчивается процесс перехода ограничения напряжений на выходах, Намультйвибратора вновое квазиустой пряжение на выходах дифференциального чивое состояние при переходе диффе- усилителя 10 начинает изменяться таким рендиального усилитепя 10 и режим обРазом, что транзисторы 1 и 4 приоткрыограничения, а транзисторов 1, 2, 3 и 4 ваются, а транзисторы 2 и 3 начинают в ключевой режим, соответствующий за-" вакрываться, причем каскады соответствупертым транзисторам 1 и 4 и отпертым 45 Ьщих повторителей работают в этот мо и 3. За счет того, что в схеме исполь- мент в линейном режиме, вследствие чего зуется дифференциальный усилитель с вы-быстро возрастает напряжение на стоке .соким коэффициентом усиления и доста ранзистора 1. Это возрастание напряжеточным быстродействием, время перехода ния чеРез конденсатор 5, входящий в цепь в новое кваэиустойчивое состояние муль положительной обратной связи, передается тивибратора пренебрежительно мало по от- на затвор транзистора 7, что вызывает ношению ко времени его прибывания к ускорение падения напряжения иа его стоквазиустойчивом состоянии, и можно очи-. ке и, следовательно, процесс приобретает латать, что этому переходу соответствует винообразный характер, Опрокидывайием определенная величина напряжения опроки"55 Мультивибратора, т,е, переход его в сле- ,дываниЯ на эатвоРе тРанзистоРа 7 (Оо), Ующее квазиУстойчивое состоиние закан- К моменту опрокидывания мультивибрато- чивается тем, что дифференциальный усира конденсатор 5 заряжается до напряже- литель переходит вновь в режим ограни738107 чения напряжений на его выходах, при полярности этих напряжений, противоположных существовашим в предыдущем полупериоде, Этот предыдущий полупериод заканчивается, как и первый из рассмотренных выше квазиустойчивых состояний, при напряжении на затворе, равном напряжению опрокидывания ( Оо). Опрокидывание муль тивибратора происходит при приближении напряжения на стоке транзистора 7 к нв- )О пряжению в средней точке резистивного делителя 1 1, а следовательно, при том же токе стока и напряжении на затворе транзистора 7, что и при выходе из первого из рассмотренных выше кваэиустой чивых состояний мультивибратора, поскольку в течение, по крайней мере, двух полу- периодов работы мультивибратора, нвпря- жейие на истоке транзистора 7 практически неизменно, так как интегратор 9 име ет постоянную времени на нескольКо порядков больщую времени полупериодв. Такимобразом, рассмотренный полупериод заканчивается, когда конденсатор 5 заряжается до напряжения опрокидывания. Учиты вая, что перезаряд конденсатора в этом полупериоде начинается с напряжения нанем, полученном в результате заряда во время первого после включения кввзиустойчивого состояния (О - О, ), а при 30 перезаряде напряжение на конденсаторестремится по экспоненциальному закону.к напряжению питания, равному напряжению нв стабилитроне 15 ( цп ), что конецполупериода соответствует напреяжеениюна 35конденсаторе 5, равном напряжению опрокидывания (Оо), а постоянная времени цепи перезвряда определяется сопротивле-, нием резистора 6 (Й ) и емкостью конденсатора 5 1, С) и, так как влиянием - 40 сопротивления транзисторных ключей можно пренебречь, длительность попупериода определяется по формулеи-о1 О -О . (1) 45В начале следующего рассматриваемого полупериода отпирающее напряжение на затворе транзистора 7 равно сумме напряжения, до которбго зарядился койденсатор в предыдущий полупериод, и напряжения 50 питания, определяемое стабилитроном 15, . Во время этого полупериодв идет перезаряд, конденсатора, который продолжается до тех пор, пока напряжение на резисто-ре 6 и затворе транзистора 7 не умень шится до величинынапряжения опрокидывания, устройство перейдет в другое квалиустойчивое состояние, и начнется новый/полупериод, повторяющий тот, длительность которого определена по формуле (1),Длительность второго полупериода мультивибрвторв ( Г ) определяется экспоненцивльно спадающим напряжением на резисторе 6, Величина этого напряжения стремится к нулю от первоначального значения, равного сумме напряжения опрокидывания и напряжения питания мультивибратора (0+ О и ), Полупериод кончается при напряжении на резисторе 6, равном напряжению опрокидывания и определяется по формуле о+с =есеп о и(г)Иэ формул (1) и (2), скважность ( ц ) и частота () определяются по формуламМАмв(Оп-Оо 1 Оо (4)Из формул (3) и (4) вытекает, что скважность и частота генерируемых мультивибратором импульсов при фиксированных величинах емкости конденсатора 5 ( С ) и сопротивления резистора 6 ( й ),зависят от напряжения питания мультивибратора и напряжения опрокидывания. Очвидно и то, что для сохранения неизменными скважности и частоты при изменении напряжения питания достаточно соответсч венно изменять напряжение опрокидывания,а также,что каждому значению скважности при фиксированных параметрах времязадающей цепи соответствует одно значение частоты. Введение в схему мультивибратора дифференциального усилителя10 с большим коэффициентом усиленияобеспечивает переход мультивибратора изодного квазиустойчивого состояния в другое и обратно, а практически при одноми том же напряжении опрокидывания назатворе транзистора 7 - и малую длитель-,ность перехода, а работе транзисторов 1,2 и 3 4, включенных в каскады, собранные по схеме истоковых повторителей, с динамическими нагрузками, в ключевомрежиме в кввзиустойчивых состояниях мультивибрвторв обеспечивает во все время каждого из квазиустойчивых состояний подключение к времяэвдающей цепи полного напряжения стабилитрона 15. Таким образом,формулы (3) и (4) применительно к вышеописанной работе схемы мультивибратора в достаточной степени корректныи можно, в соответствии с выводами из107 9 738 этих формул, стабилизировать скважность, и, следовательно, частоту импульсов путем управления величиной напряжения опрокидыванияРабота соответствующей части схемы 5 протекает следующим образом. После включения на выходе интегратора возникает напряжение, величина которого равна напряжению. в средней точке реэистивного делителя 12. Это напряжение, будучи при ложенным к истоку транзистора 7 и одному из выводов резистивного делителя 11, определяет напряжение опрокидывания муль- тивибратора, так как с одной стороны задает смещение в цепи исток-аатвор тран зистора 7, а с другой - определяет напряжение среднего уровня на входе дифференциального усилителя 10. Если скмжность генерируемых после включения импульсов больше расчетной, т.е, среднее 20 значение напряжения на выходе мультивибратора и на инвертирующем входе интегратора меньше, чем в средней точке резистивного делителя 12, подключенного к неинвертирующему входу, растет напря-, жение на выходе интегратора и напряжение смещения иа истоке транзистора 7, а следовательно, и напряжение на его затворе,при котором ток стока достигает величины, . " соответствующей равенству напряжения на стоке напряжению в средней точке резистивного делителя 1 1 Ослабление влияния величины выходного напряжения интегратора усилителя эа счет подключения резис- тивного делителя 1 1 к его выходу несу щественно, так как по отношению к выходному напряжению интегратора 9 транзистор 7 оказывается включенным в схему усилителя с общим затвором, а резистив ный делитель 11 уменьшает это напря жение. Благодарятакому включению резистивного делителя 1 1 в широком диапазоне регулиромния скважности обеспечимвася опрокидывание мультивибратора не при экстремальных, а при средних значениях 45 тока стока транзистора 7, соответствующих более высокой стабильности его параметров. Рост напряжения на выходе интегратора и на истоке транзистора 7 вызывает, таким образом, увеличение напряжения 50 опрокидывания и уменьшение скважности импульсов на выходе мультивибратора,Процесс продолжается до тех пор, пока среднее значение напряжения импульсов на выходе мультивибратора не станет 55 равным напряжению в средней точке резистивного делителя 1 2, соотношение плеч которого выбирается так, что напрящ 1 Ржение в средней точке обратно пропорционально выбранной скважности, соответствующей заданной частоте при определенных параметрах времяэадающей цепи. Еспи при включении мультивибратора скмжность импульсов оказывается меньше расчетной, среднее значение напряжения импульсов, действующих на инвертирующемвходе интегратора 9 оказывается большим,чем напряжение в средней точке резистивного делителя 12, подключенной к неинвертирующему входу этого усилителя, инапряжение на его выходе, соединенномс истоком транзистора 7, уменьшается,При этом, как было показано вьппе, умеа-"цается напряжение опрокидывания и увеличивается скважность импульсов, Процессваканчимется, когда скважность и частота импульсов станет равной расчетной, заданной соотношением плеч резистивногоделителя 12, Если в установившемся пос-ле включения режиме изменяется частотаи скважность генерируемых мультивибратором импульсов иэ-эа нестабильности напряжения источника питания или параметров порогового устройства, то это проявляется как неравенство среднего значенияМапряжения на выходе мультивибратора испряжения в средней точке резистивногоделителя 12, т,е, на входах интегратора9, что вызывает соответствующее изменение напряжения на его выходе, компенсирующее уход скмжности и частоты изменением напряжения опрокидывания.Таким образом в мультивибраторе осуществляется стабилизация скважности ичастоты генерируемых им импульсов привоздействии дестабилизирующих факторов,вызывающих изменение напряжения питания и параметров элементов схемы,Применяя известные приемы для анализа следующей системы мультивибратора,рассматриваемую схему можно представитькак стабилизатор среднего значения напряжения на вйходе мультивибратора, в котором роль ключующего элемента выполняет транзйстор 3, а величина стабилизируемого напряжения ( 0 ) равна опорному,полученному в средней точке реэистивного делителя 12. В качестве входного напряжения эквивалентного стабилизаторавыступает напряжение питания мультивибратора, а нестабильность выходного на-пряжения оценимется как отклонение отвеличины опорного ( ЬОс ).Очевидно, что каждой величине отклонения выходного напряжения от номииальибГо ( ВОЙ ) соответствует отклонение с107 11 738 номинальной скввжности (,дЦ ), Очевидно, чтодЦ 0 = --с с 2 иНа основании формул (3), (4) и (5) 5 выведены соотношения, позволяющие приближенно оценить величины нестабильности скввжности (ЬОС) ) и частоты импульсов( д 2) р генерируемых мультивибратором, Вывод приближенных соотношений сделан 10 для случая, когда мультивибратор работает в режиме больших скважностей ( О 2) и в режиме генерации меандра ( Ц 2), Величины нестабильности скважности и частоты определены при изменениях напря-,И жения опрокидывания (ЬОр) и напряжениях питания мультивибратора ( дОп) прк условии, что коэффициент усиления интегратора 9 равен величине К. Для случая Я 2 д( а аодО20П оЯ К .(3 Я 6дО, ьЪ 1и п лри Ки ф" - ЬО 2 ЬО аО -: - " 1( - ":)"(":)1" Й Ьи 3 лри К -2Рассмотрение приведенных соотноше- щ ний показывает, что при реально возможных дестабилизирующих факторах величины нестабильностей скважности могут быть получены порядка 10ддя скважностей до 6-7. 40Величины нестабильностей частоты могут быть получены на два порядка меньшими при использовании мультивибратора в качестве генератора симметричной прямоугольной волны. Величина дрейфа напряжения смешения интегратора При использовании современной элементной базы может быть получена порядка долей милли- вольт, что при реальных напряжениях пи тания мудьтивибратора вызывает дрейфъ скввжности порядка 10, а частоты при скважности около 2 порядка 10 ,Использование предлагаемого мульти вибратора позволяет получать колебанияФ прямоугольной формы, стабилизированной ы скважности, и частоты, При ограниченном числе прецизионных элементов, содержвшихся в мультивибрвторе, может быть получена стабильность частоты того же порядка, что и стабильность параметровэтих элементов. формула изобретения Мультивибратор, содержащий первый и второй двухтактные каскады нв МДП-транзисторах, времязадаюшую цепь, состоящую из соединенных последовательно конденсатора и резистора, включенную между выходами первого и второго двухтвктных каскадов, инвертор на МДП-транзисторе с резистивной нагрузкой в цепистока, вход которого подсоединен к месту соединения конденсатора и резистора времязадаюшей цепи, о т л и ч а ю щ и й с я/тем, что, с целью стабилизации частоты и скввжности генерируемых импульсов, в него введены интегратор, первый резис-, тивный делитель, дифференциальный усилитель и второй реэистивный делитель, причем инвертирующий вход интегратора подключен к выходу второго двухтактного каскада, его неинвертирующий вход подключен к средней точке первого резистивного делителя, включенного между полюсами источника питания, а выход подключен к истоку МДП-транзистора инвертора, к стоку которого подсоединен неинвертирующий вход дифференциального усилителя,прямой выход которого подключен к затворам первого МДП-транзистора второго двухтактного каскада и второго МДП-трвнзистора первого двухтактного каскада, инверсный выход дифференциального усилителя подключен к затворам второго МДП-транзистора второго двухтактного каскада и первого МДП-транзисторв первого двухтакт. ного каскада, а инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к средней точке второго резистивного делителя, включенного между истоком МДП- транзистора инверторв и полюсом источника питания. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРМ 387502, кп, Н 03 К 3/281 р24,05,7 1.2. Патент Японии И 44-40407,кд. Н 03 К 3/282, 17,0572 (прототип),