Мультивибратор (от латинских слов multim – много и vibro – колеблю) – релаксационный генератор импульсов почти прямоугольной формы, выполненный в виде усилительного устройства с цепью положительной обратной связи (ПОС). Различают два вида мультивибраторов: автоколебательные (не обладают состоянием устойчивого равновесия) и ждущие (обладают одним состоянием устойчивого равновесия и поэтому их часто называют одновибраторами).
Принципиальная схема автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе представлена на рис. 3,а , временные диаграммы, поясняющие его работу – на рис. 3,б.
а б
Рисунок 3
Для периодического изменения знака разности напряжений и+ - и-на вход (+) ОУ (рис. 3, а) с делителя R2 – R3 подается часть выходного напряжения, неизменная в течение полупериода Uвых: и+=gUнас, g = R3/(R3+R2), а на вход (–) — напряжение с конденсатора С, заряжающегося под действием всего значения Uвых = Uнас.
За счет этого в процессе зарядки конденсатора напряжение на входе (–) может превышать по абсолютному значению напряжение на входе (+), в результате чего напряжение на выходе скачкообразно изменяет знак. Временные диаграммы, представленные на рис. 3, б, иллюстрируют сказанное. Если, например, Uвых=U+нас, то конденсатор С заряжается до момента времени t1, когда напряжение на нем окажется чуть больше gU+нас . Вслед за этим, как только транзисторы ОУ выходят из насыщения, восстанавливается действие положительной обратной связи: уменьшение и+ = UR3 вызывает дальнейшее уменьшение Uвых и т. д. В результате выходное напряжение весьма быстро достигает уровня U-нас. С этого момента конденсатор С перезаряжается до тех пор, пока напряжение на нем (при t= t2 ) не станет чуть меньше gU-нас , после чего начинается переключение Uвых к уровню U+нас. Следовательно, подключение цепи R1С к выходу ОУ обеспечивает автоматическое переключение конденсатора с зарядки (когда Uвых=U+нас) на разрядку (когда Uвых=U-нас) и как следствие этого, изменение знака разности напряжении и+– и-.
При определении длительностей tи1 и tи2 выходных импульсов надо учесть, что во время tи1 напряжение иС изменяется от gU-нас до gU+нас , а во время tи2 — изменяется от gU+нас до gU-нас, т. е. в указанные промежутки времени напряжения на конденсаторе изменяются следующим образом:
uС = (gU+нас + U-нас) e-t/t- U-нас
где t = R1C – постоянная времени,
Uнас – напряжение насыщения.
Спустя время t = tи1 (t = tи2) после начала зарядки (разрядки) конденсатора напряжение uС = gU+нас (gU-нас). С учетом этого, и заменяя натуральный логарифм на десятичный, получаем:
Если ÷U+нас÷ = ÷U-нас÷ = Uнас , то tи1 = tи2 =2,3t lg[(1+g)/(1-g)],
T = 4,6t lg[(1+g)/(1-g)].
Длительности фронтов выходных импульсов мультивибратора зависят от скорости нарастания выходного напряжения используемого ОУ.
Принципиальная схема ждущего мультивибратора (одновибратора) на операционном усилителе представлена на рис. 4,а , временные диаграммы, поясняющие его работу – на рис. 4,б.
В исходном состоянии (до подачи запускающего импульса Uзап) операционный усилитель находится в состоянии насыщения с уровнем выходного напряжения –Uнас. Начальное напряжение на конденсаторе С2 равно gUmax, где g = R4/(R3 + R4). С подачей короткого по длительности запускающего импульса Uзап положительной полярности ОУ переключается с уровня -Umax на уровень +Umax.
а б
Рис. 4
Напряжение на неинвертирующем входе скачком изменяется на величину 2gUmax и в дальнейшем по мере перезаряда конденсатора С2 изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени t = C2×(R2 + R3÷÷R4), стремясь к нулевому значению. Длительность генерируемого импульса tи равна времени изменения напряжения на неинвертирующем входе от значения -0,7В до значения +gUнас:
tи = 2,3t×lg[1/(1-g)].
Диод VD1 сокращает время восстановления начального напряжения на конденсаторе С2 перед подачей очередного запускающего импульса и тем самым повышает быстродействие схемы.
