Мультивибратор

Мультивибратор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союэ Советскик

Соцкалнстнческик

Ресвубпнк

<п>871305 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву 9738107 (22) Заявлено 040779 (21) 2792450/18-21 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет

Опубликовано 07,10.81. Бюллетень Н9 37

Дата опубликования описания 07.1031 (5е)М К,. 3

Н 03 К 3/28

Государственный комитет

СССР

rro делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 374.

° 18(088.8) A.И.Лапицкий, С.В.Матвеев и Б.С.Самсонов. ! (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) МУЛЬТИВИБРАТОР

Изобретение относится к электронным устройствам для генерирования колебаний прямоугольной формы и может использоваться для получения электрических импульсов заданной частоты

5 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- I5 грузкой в цепи стока, вход которого подсоединен к месту соединения конденсатора и резистора времязадающей цепи, интегратор, первый резисторный делитель, дифференциальный усилитель и 2О 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 п.,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 дифференциально= го 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 51J .

НедостаТок этого мультивибратора заключается в том, что при его использовании для генерирования импульсов большой скважности нестабильность частоты импульсов увеличивается более чем на порядок. Целью настоящего изобретения является стабилизация частоты при скважности больше двух.

Для достижения указанной цели в устройство, содержащее двухтактные первый и второй каскадь íà-MgtI-транзисторах, времяэадающую .цепь,состоящую из соединенных посл",;овательно конденсатора.;и резистора, включенную между выходами первог н второго

871305 каскадов, 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 ре5 зисторный делитель, причем инвертирующий вход интегратора подключен к выходу второго каскада, его неинвертирующий вход подключен к сред-. ней точке первого делителя, включенного между полюсами источника питания, а выход подключен к истоку транзистора инвертора, к стоку которого подсоединен неинвертирующий вход дифференциального усилителя, прямой выход которого подключен к затворам первого транзистора второго каскада и второго транзистора первого каскада, инверсный выход дифференциаль-. ного усилителя подключен к затворам 20 второго транзистора второго каскада и первого транзистора первого. каскада, .а 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 время1 30 задающей цепи причем затвор транзистора присоединен к выходу дифференциального усилителя.

На чертеже изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого мультивибратора.

Мультивибратор содержит двухтактные каскады на транзисторах

1 и 2, 3 и 4 соответственно, времязадающую 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- 45 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 пороговое устройство, служащее для управле- 55 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 транзистоt ра 4 с опорным напряжением, снимаемым с делителя 12, а также усилителем сигнала ошибки, выходное напряжение 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 транзисторов 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 на стабилитроне 15 и соотношения сопротивлений балластных резисторов 13 и 14 определяет достаточность уровня выходных сигналов упомянутых усилителей при напряжении сигнала среднего уровня на входе интегратора 9, близкой к нулю. Резистор 16 служит для уменьшения сопротивления времязадающей цепи в один из полупериодов работы мультивибратора. Транзистор 17 играет роль ключа и служит для подключения резистора 16 и времязадающей цепи в упомянутый период.

Выходом мультивибратора 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 мультивибратор 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 ключ

871305 в 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- 5 ностью открытый транзистор 1, конденсатор 5, резистор 6, 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 6. По мере заряда конденсатора ток заряда уменьшается, уменьшается напряжение на резисторе 6, открывающее транзистор 7, уменьшается 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- 20 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.

Это..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- 40 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 4

55 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 на затворе транзистора 7(Uo) К моменту опрокидывания мультивибратора конденсатор 5 заряжается до напряжения, равного разности между напряжением питания, заданного стабилитроном 15 (U„) и напряжением на резисторе 6, которое в этот момент равно на. ряжению опрокидывания (Uz).

В начале полупериода, соответствующего новому квазиустойчивому состоянию мультивибратора, на затворЕ транзистора 7 действует напряжение, до ь. которого был заряжен конденсатор 5 во время предшествующего кваэиустойчивого состояния мультивибратора, в полярности, запирающей транзистор 7.

При этом напряжение на стоке транзистора 7 больше, чем напряжение в средней точке делителя 11. Напряжение на выходах дифференциального усилителя

10 приложенное к затворам транзисторов 3, 2 и 4,1, 17, открывает первые и запирает вторые в ключевом режиме.

В течение полупериода идет перезаряд конденсатора 5 времязадающей цепи под действием действующей на ней разности потенциалов, определяемой как арифметическая сумма напряжений источника питания и напряжения, до которого был заряжен конденсатор

5 к началу полупериода. По мере перезаряда 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 величины тока стока напряжение на его стоке упадет до величины, близкой к напряжению в средней точке делителя 11, напряжение, действующее между входами дифференциального усилителя 10, уменьшится до величины, соответствующей выходу этого усилителя из режима ограничения напряжений на выходах.

Напряжение на выходах дифференциального усилителя 10 начнет изме- . няться таким образом, что транзисторы 1 и 4 приоткроются, а транзисторы 2 и 3 начнут закрываться, причем каскады соответствующих повторителей работают в этот момент в линейном режиме, вследствие чего быстро возрастает напряжение на стоке транзистора 1. Это возрастание напряжения через конденсатор 5, входящий в цепь положительной обратной связи, передается на затвор транзистора 7, что вы зывает ускорение падения напряжения на его стоке, и следовательно, процесс приобретает лавинообразный характер. Опрокидывание мультивибратора, т.е. переход его в следукщее квазиустойчивое состояние, заканчивается тем, что дифференциальный уси871305 lun U )п- )о (17

Здесь постоянная времени ь, определяется сопротивлением резистора 6 и емкостью конденсатора 5.

В начале следующего рассматривае- мого полупериода отпирающее напряжение на затворе транзистора 7 равно сумме напряжения, до которого зарядился конденсатор в предыцущей полупериод, и напряжения питания, определяемого стабилитроном 15. Во время 6О этого полупериода идеФ перезаряд конденсатора, который продолжается до тех пор, пока напряжение на резисторе 6 и затворе транзистора 7 не уменьшится до напряжения опроки- .65 литель переходит вновь в режим ограничения напряжений на его выходах при полярностях 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 (uo).

Действительно, опрокидывание мультивибратора происходит 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- Щ 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>- 0 ), а при переэаряде напряжение на конденсаторе стремится по экспонеыциальному закону к напря- жению питания, равному напряжению на стабилитроне 15 (0 ), что конец полупериода соответствует напряжению на конденсаторе 5, равному напряжению опрокидывания (Up), а постоянная Вре- 4Q мени цепи перезаряда определяется сопротивлением резистора 6 и емкостью конденсатора 5 и, так как влиянием сопротивления транзисторных ключей можно пренебречь, длительность 4 полупериода, определяется по формуле: дывания, устройство перейдет в другое квазиустойчивое состояние и начнется новый полупериод, повторяющий тот, длительность которого определена по формуле $1l.

Длительность второго полупериода мультивибратора (fg ) определяется экспоненциально спадающим напряжением иа резисторе 6. Величина этого напряжения стремится к нулю от первоначального значения, равного сумме напряжения опрокидывания и напряжения питания мультивибратора (uo + 0„). Полупериод кончается при йапряжении на резисторе 6, равном напряжению опрокидывания

В формуле (2)постоянная времени времязадающей цепи определяется сопротивлением резисторов 6,. 16 и емкостью конденсатора 5, Из (1) и (2) скважность (Я) и частота (f ) определяется как:

Д

7 Un „Eh — — о« (3)

ii (0О ++„„)

0П

\ (4)

2 —

Из (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, включенных

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 путем управления 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,Щ будучи приложенныи к истоку транзистора 7 и одному из выводов делителя 11, определяет напряжение опрокидЫвания мультивибратора, так как с одной стороны задает смещение в цепи "исток-затвор" транзистора 7, а с другой - определяет напряжение среднего уровня на входе дифференциального усилителя 10 °

Если 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 достига- 40 ет величины, соответствукицей равенству напряжения на стоке напряжению в средней точке делителя 11.

Ослабление влияния величины выходного напряжения интегратора усилите- 45 ля за счет подключения делителя 11 к его выходу несущественно, так как по отношению к выходному напряжению интегратора 9 транзистор 7 оказывается включенным в схему усилителя с 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 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 плеч которого выбирается так, что напряжение в средней точке обратно пропор ционально выбранной скважности, соответствующей заданной частоте при OIl» ределенных параметрах времязадающей цепи. Если при включении мультивибратора скважность импульсов оказывается меньше расчетной, среднее значение напряжения импульсов, действукщих на инвертирующем входе интегратора 9, оказывается большим, чем напрязкение в средней точке делителя 12, подключенной к неинвертирукщему входу это- .

ro усилителя, и напряжение на его выходе, соединенном с истоком транэистора 7, уменьшается. При этом, как было показано виие, уменьшается напряжение опрокидывания и увеличивается скважность импульсов. Процесс saканчивается, когда скважность и частота импульсов станут равными расчетным, заданным соотношением плеч делителя 12.

Если в установившемся после включения режиме изменятся частота и скважность генерируемых мультивибратором импульсов из-за нестабкйьности напряжения источника питания или параметров порогового устройства, то это проявится как неравенство среднего значения напряжения на выходе мультивибратора и напряжения в средней точке, делителя 12, т.е. на входах интегратора 9, что вызывает соответствующее изменение напряжения на его выходе и компенсирукщее уход скважности и частоты изменение напряжения опрокидывания. Таким образом, в мультивибраторе осуществляется стабилизация скважности и частоты генерируемых им импульсов при воздействии дестабилизирующих факторов, вызывающих изменение напряжения питания и параметров элементов схе- мы, Анализ формул (3) и (4) позволяет. определить для каждого значения скйат ности Я отношением„(3g, соответствую-щее максимальной стабильности частоты при изменении напряжения пи тания U или напряжения опрокидывания U . Величина этого отношения в зависимости от параметра - ф-, определяющего также частоту и.скважность, выражается формулой:

h "о „)(«„)

u uo )п — + ) ио

pv м

1 найденное для данной частоты и скважности из (3) и (4), определяет соотношение сопротивлений резисторов б и 16, обеспечивающее максимальную стабильность частоты импульсов, генерируемых мультивибратором.

871305

Составитель В.Шагурин

Редактор БьФедотов Техред M. Голинка . Корректор С.Щомак

Заказ 8454/28 . Тираж 991 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д..4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород ул. Проектная, 4

С учетом изложенного на основании формул (3), (4) и (5) выведены соотнесении, ионнолесиие осенить нелииини нестабильности сина ности (+-) и частоты импульсов (), генерируемых мультивибратором. Величины неста- . бильности скважности и частоты опреде5 лены при изменении напряжения опрокидывания (а 0в)и напряжения питания ,(h Оп)при условии, что коэффициент усиления интегратора 9 равен К.

Рассмотрение приведенных соотношенйй показывает, что использование . д) мультивибратора по предлагаемой схеме позволяет получить величины нестабильности частоты и скважности импульсов при больших скважностях импульсов такого же порядка, как и для

25 симметричной прямоугольной волны, т.е. частоты порядка 10 5, а скважности - порядка 10 .

Использование мультивибратора, выполненного B соответствии с предлагаемьм изобретением, позволит получить колебания прямоугольной формы большой скважности и стабилизированной частоты. При ограниченном числе прецизионных элементов, содержащихся в мультивибраторе (двух резисторов делителя 12 и одного - времязадающей цепи и одного конденсатора времязадающей цепи) может быть получена стабильность частоты того же порядка, что и, стабильность параметров этих элементов.

Формула изобретения

Мультивибратор по авт.св.0738107, отличающийся тем, что, с целью стабилизации частоты, в него введены резистор и МДП-транзистор, соединенные последовательно между собой и подключенные параллельно резистору времязадающей цепи, причем затвор МДП-транзистора присоединен к выходу дифференциального усилителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 738107, кл. Н 03 К..З/28,15.02.78 прототип) .