Мультивибраторы на логических элементах

Нередко при отсутствии микросхем мультивибраторов построение генераторов меандра осуществляется на логических элементах НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др., благодаря простоте реализации и хорошим эксплуатационным характеристикам. При сравнительно невысоких требованиях к частоте колебаний чаще всего используются элементы на КМОП-логике1), обладающей высокой помехоустойчивостью в диапазоне напряжения питания от 3 до 15 В, большой амплитудой выходного напряжения, высоким входным и низким выходным сопротивлениями, сравнительно высокой частотой генерации, хорошей температурной стабильностью, малым энергопотреблением. Как правило, в одной микросхеме размещается от двух до шести идентичных логических элементов, на которых и строится генератор. Приведем одну из широко распространенных схем мультивибратора, реализуемого на двух логических элементах И-НЕ или ИЛИ-НЕ КМОП-логики (рис. 2.5,а).

Рассмотрим работу генератора с момента подачи напряжения питания на него, полагая, что конденсатор до этого был полностью разряжен.

а) б)

Рис. 2.5

На выходе мультивибратора сначала низкий уровень напряжения (рис. 2.5,б). На входе А логического элемента (ЛЭ) DD1.1 также потенциал низкого уровня, а на выходе этого же элемента устанавливается высокий уровень напряжения (точка Б). Таким образом конденсатор С оказался под напряжением, определяемым разностью потенциалов между точкой Б и выходом, и практически равным напряжению питания Uп. Конденсатор начинает заряжаться по экспоненциальному закону, стремясь достигнуть напряжения питания Uп полярностью, указанной на конденсаторе С без скобок. По мере заряда конденсатора возрастает потенциал на входе ЛЭ DD1.1, приближаясь к пороговому1) значению U_пор, при котором произойдет изменение состояния ЛЭ DD1.1 и на его выходе установится низкий уровень (точка Б). На выходе генератора (ЛЭ DD1.2) установится высокий уровень напряжения. Конденсатор, напряжение на котором достигло напряжения питания, станет разряжаться по экспоненте. Но как только напряжение на нем достигнет порогового, произойдет опрокидывание ЛЭ DD1.1 и DD1.2. Далее процесс будет многократно повторяться.

Анализируя осциллограммы (рис. 2.5,б) изменения напряжения на конденсаторе, несложно определить длительности импульса t₁ и паузы t₂. Отрезку времени t₁ соответствует разряд конденсатора от напряжения питания до порогового значения, то есть:

U_п·e^{– t1/RC} = U_c = 0,5U_п.

Тогда t₁= – R·C·ln 0,5 » 0,7 R·C. (2.10)

Время заряда t₂ конденсатора от нуля до порогового значения определяется уравнением:

U_п · (1 – e^{– t2/RC}) = U_c = 0,5U_п,

из которого находим,

t₂ = – R·C·ln 0,5 » 0,7 R·C. (2.11)

Период колебаний, генерируемых мультивибратором, определяется суммированием результатов уравнений (2.10) и (2.11):

Т = t₁ + t₂ » 1,4 R·C.

Следует отметить, что, как и ранее, время импульса t₁, паузы t₂ и периода колебаний Т практически не зависит от напряжения питания.

Выбор конкретных значений емкости С и сопротивления R определяется рекомендуемым диапазоном: С = 100 пФ… 0,5 мкФ; R = 20 кОм… 5МОм. Верхний предел емкости С и нижний – сопротивления R обуславливаются максимально допустимыми значениями выходного тока выбранной микросхемы.

В случае необходимости плавного изменения скважности выходных импульсов последнее обеспечивается разделением цепей заряда и разряда конденсатора и реализуется по схеме (рис. 2.6).

Рис. 2.6

В этой схеме конденсатор С в одну часть периода заряжается через диод VD1, нижнюю часть резистора R3 и резистор R4, а в другую часть периода – через VD2, верхнюю часть резистора R3 и резистор R2. Для случая, когда R2 = R4 = R, а R3 = 10R, при перемещении подвижного контакта резистора R3 скважность будет изменяться в пределах от 10:1 до 1: 10. Период колебаний при этом практически не изменяется.