Мультивибратор Советский патент 1980 года по МПК H03K3/28 

(54) МУЛЬТИВИБРАТОР

Изобретение относитс:я к эпектронным устройствам для генерирования колебаний прямоугольной формы и может использоваться для получения электрических импульсов заданной частоты и скважности в-различных времязадающих устройствах. Известны муяьтиви аторы на М/Щтранзисторах с нагрузочными транзисторами в стоковой цепи и с перекрестной емкостной связью между затвором одного ключевого транзистора и стоком другого; в каждую из времязадающих цепей муль-тивибратора включен транзистор, затвор которого подключен к средней точке делителя напряжения питания на двух транаисторах, у которых затворы соединены со стоками l. . Недостаток данных устройств заключается в том, что нестабильность напряжения источника питания и п1араметрЬв tpan зисторов вызывает нестабильность частоты к скважности импульсов, генерируемьц MjnbTHBH6ратором. Известны также мультивибраторы, содержащие первый и второй двухтактные каскады на МДП-транзисторах, времязадающую цепь, инвертор на МДП-транзисторе с резистивной нагрузкой в цепи стока 21 Указанные мультивибраторы имеют недостаточную стабильность частоты и скважности генерируемых импульсов. Цель изобретений - стабилизация частоты и скважности генерируемых импульсов. Для достижения указанной цели в устройство, содержащее двухтактные первый и второй каскады на МДП-транзисторах, времязадающую цепь, состоящую из соединенньк последовательно конденсатора и резистора, включенную между выходами первого и второго Двухтактных каскадов, инвертор на МДП-транзисторе с резистивной нагрузкой в цепи стока вход которого подсоединен к месту соединения конденсатора и резистора времязадающей цепи, введены интегратор, первый резистивный делитель, дифференциальный усилитель и второй резистивный делитеиль,причем ин373вертируюший вход интегратора подключен к выхййу второго двухтактного каскада, его неинвертирующий вход подключен к средней точке первого резистивного делителя, включенного между полюсами ис- точ1ник а питания, а выход по дключен к истоку МДП-транзистора 11нвертора, к стоку которого подсоединен неинвертирующий вход дифференциального усилителя, прямой выход которого подключен к затворам пер вого МДП-транзистора второго двухтактна.го каскада и второго МДП-транзвстора первого двухтактного каскада, инверсный выход дифференциального усилителя подключен к затворам второго МДП-транзисТора второго двухтактного каскада и первого МШ-транЗистора первого двухтактного каскада, а инвертирующий вход Ди4 ференциального усилителя подключен к средней точке второго резисторного дели теля, включенного между истоком МДПтранзистора инвертора и полюсом источника .питания. На чертеже представлена схема предлагаемого мультивибратора. Мультивибратор содержит первый и второй двухтактные каскады на транвзис-. горах 1 и 2, 3 и 4 соответственно, врегмязадающуюцепь, состоящую из конденсаточ ра 5 и резистора.б, инвертор 7 на МДП-траНп зисторе с резистнвной нагрузкой 8, интeгpaтор 9, дифференциальный усилитель 10, первый и Btopoft резистивные делители 11 и 12, . балльстные резисторы 13 и 14 стабилитрон 15. Транзисторы 1, 2 и 3, 4 выступают как бесконтактный переключатель для де реключения времязадающей цепи между полюсами источника питания мультивибратора. Инвертор 7 и дифференциальный усилитель 1О составляют пороговое устройстЁо, служащее для управления бескон тактным переключателем на транзисторах 1, 2, 3 и 4. Резистивный делитель 11 служит для выбора режима инвертора 7, Cooi TBeirdfiSyipmerd ftbpory, и вёлнчШьГ напряжения среднего уровня,на входе диффе ренциального усилителя 10, Интегратор 9 служит блоком сравнения значения импульсного напряжения, действующего в точке соединения истока транзистора 3 и стока транзистора.4 с опорным напряжением, сйимаемым с рёЗйстибного делителя 12, а также усилителем сигшла ошиб ки, выходное напряжение которого определяет уровень напряжения на затворе транзистора 7, котором происходит срабатывание порогового устройства. Со7тношение сопротивлений плеч резистивноо делителя 12 определяет скважность генерируемых мультивибраимпульсов, тором. .., Резисторы 13 и 14 являются балластными резисторами параметрического стабилизатора на стабилитроне 15. Параметриеский стабилизатор напряжения на стабилитроне 15 служит источником питания, к одному из полюсов которого присоединены стоки транзисторов 1 и 3 непосредственно и сток транзистора 7 через резистор 8 нагрузки, а ко второму - истоки транзисторов .2 и 4. Второй полюс этого источника питания как правило, используется как общий провод. Выбор напряжения источника питания Для интегратора 9 и дифференциального усилителя Ю, напряжение на стибилитроне 15 и соотнощения сопротивлений балластных резисторов 13 и 14 определяет достаточность уровня выходных сигналов упомянутых усилителей при напряжении сигнала среднего уровня на входе интегратора 9, близком к нулю, Выходом мультивибратора служит место роединения истока транзистора 3 и стока транзистора 4. Место соединения истока транзистора 1 и стока транзистора 2 может служить выходом мультивибратора с противоположной фазой импульсов. Мультивибратор работает следующим образом. Если в момент включения транзистор 7 открыт и напряжение на его стоке ниже, чем напряжение в средней точке резист1тного делителя 11 настолько, что дифференциальный усилитель оказывается в режиме ограничения напряжения выход- . ныХ сигналов, то к затворам транзисторов 2 и 3 с первого выхода дифференциального усилителя прилагается запирающее напряжение, а к затворам транзисторов 1 и 4 со второго выхода этого усилителя отпирающее напряжение, причем благодаря ВЫСОКО МУ уровню вьрсодных напряжений транзисторы 2 и 3 полностью заперты, а транзисторы 1 и 4 открытьи Напряжение питания дифференциального усилителя подобрано таким образом, что величина выхОдного напряжения достаточна, чтобы транзистор 1 при его отпирании работйл как ключ 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 полностью от- 573 крытый транзистор 1, через конденсатор 5, резистор 6 и полностью открытый тра зистор 4, поддерживая на затворе транзистор 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 резистивного делителя 11, тогда напряжение на выходах дифференциального усилителя, вышедшего из режима ограничения выходного сигнала, изменяется Факим образом, что тран зисторы 1 и 4 призакрываются, а транзисторы 2 и 3 приоткрываются, причем каскады, собранные на них по схеме нотоковых повторителей с динамическими нагрузками, входят также в линейный режим. Это приводит к тому, что включается цепь положительной обратной связи через конденсатор 5 на затвор транзистора 7, что, в свою очередь, приводит к ускорению падения тока этого транзистора, увеличению напряжения на его стоке, подключенном ко входу дифферевдиального усилителя, ускорению собтветствуюошх изменений напряжений на его выходах, увеличению 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 усиления дифферевдиального усилителя и, следовательно, скорость изменения напряжения на его вькодах. Заканчивается процесс перехода мупьТ1авибратора в новое квазнустойчивое состояние при переходе дифференциального усилителя 1О в режим ограничения, а транзисторов 1, 2, 3 и 4 в ключевой режим, соответствующий за- пертым транзисторам 1 и 4 и отпертым 2 и 3. За счет того, что в схеме исполь зуется дифференциальный усилитель с .соким коэффициентом усиления и достаточным быстродействием, время перехода в новое квазиустойчивое состояние мультивибратора пренебрежительно мало йо отношению ко времени его прибывания к квазиустойчивом состоянии, и можно счи- Тать, что этому переходу соответствует определенная величина напря: ; ения onpoKKh , дьтания на затворе транзистора 7 ( UQ ). К моменту опрокидывания мультивибратора конденсатор 5 заряжается до напряже07ния, равного разности между напряжением питания заданного стабилитроном 15 ( Un ) и напряжением на резисторе 6, которое в этот. Момент равно напряжению опрокидывания ((JQ). в начале полупериода, соответс гвующего новому квазиустойчивому состоянию мультивибратора, на затворе транзистора 7 действует напряжение, до которого был заряжен конденсатор 5 во Ьремя предшествующего квазиустойчивого Состояния мультивибратора, в полярности запирающей транзистор 7. При этьм напряжение на стоке транзистора 7 больше, чем напряжение в средней точке резистивного делителя 11, напряжение на выходах дифференциального усилителя, приложенное. к затворам транзисторов 3, 2 и 4, 1, от крывает первые и запирает вто{эые в ключевом режиме, В течение полупериода идет перезаряд конденсатора 5 времязадающей цепи под действием разности потенциалов, действующей на ней, определяемой как арифметическая сумма папряжений источника питания и напряжения, до которого был заряжен конденсатор 5 к началу попупериода. 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 вeличl ны тока стока, напряжение на его стоке падает до йеянчины, близкой к напряжению в средней точке резистивного делителя 11, напряжение, действ}ющее между входами дифференциального усилителя 1О, уменьшается до величинь, соответствую шей выходу этого усилителя из режима ограничения напряжений на выходах. Напряжение на выходах дифференциального усилителя 10 начинает измениться таким . образом, что транзисторы 1 и 4 приоткрываются, а транзисторы 2 и 3 начинают закрываться, причем каскады соответствуЬэщих повторителей работают в атот момент в линейном режиме, вследствие чего, быстро возрастает напряжение на стоке транзистора 1. Это возрастание напряжения через конденсатор 5, входяюий в цепь положительной обратной связи, передается на затвор транзисто)ра 7, что вызывает ускорение падения напряжения на его стоке и, следоватеш но, процесс приобретает лавинообразный характер. Опрокидывайием Мультивибратора, т.е. переход его в сле 1уюшее квазиустойчивое состояние заканчивается тем, что дифференциальный усилитель переходит вновь в режим ограни7 73 чений ватгряжений на его вькодах, при полярности этих напряжений, противоположньос существовашим в предыдущем полупериоде; Этот предыдущий полуперйод заканчивается, как и первый из рассмотренных выше квазиустойчивых состояний, при напряжении на затворе, равном напряжению опрокидывания { Uo). Опрокид| 1вание муль тивибратора происходит при приближении напряжения на стоке транзистора 7 к напряжению в средней точке резистивного делителя 11, а следовательно, п:ри том же токе стока и напряжении на затворе транзистора 7, что и при выходе из первого из рассмотренных выше квазиустой; чввь1Х состояний мультивибратора, посколь ку в течение, по крайней мере, двух полупериодов работы мультивибратора, напряжение на истоке транзистора 7 практичес ки неизменно, так как интегратор 9 имеет постоянную времени на несколько поря ков большую бремени полупериода. Таким образом, рассмотренный полупериод закан чивается, когда конденсатор 5 заряжается до напряжения опрокидывания. Учитывая, что перезаряд конденсатора в этом полупериоде начинается с напряжения на нем, полученном в результате заряда во время первого после включения квааиустойчивого состояния ( ) fi при перезаряде напр51жение на конденсаторе стремится по экспоненциальному закону; к напряжению питания, равному напряжению на стабилитроне 15 { (Jf ), что конец пблуперйдда соответствует нМр йжёШй на конденсаторе 5, равном напряжению опрокидывания ( Up ), а постоянная времени. цепи перезаряда определяется сопротивлением резистора 6 (R ) и емкостью конденсатора 5 С) и, так как влиянием - сопротивления транзисторньгх ключей можно пренебречь, длительность полупериода определяется по Формуле (1) в. начале следующего рассматриваемого полупериода отпирающее напряжение на затворе транзистора 7 равно сумме напря жения, до йоторбгЬ зарядился конденсатор в предыдущий полуперяод, и напряжения питания, определяемое стабилитроном 15, Во время этого полуперибдй иДё перезаряд, конденсатора, который продолжается до тех пор, пока напряжение на резисторе 6 и затворе транзистора 7 не уменьшится до велячиньГ напряжения опрокидывания, устройство перейдет в другое кваяиустойчивое состояние, и начнется новый 7 X.--. . полупериод, повторяющий тот, длительность которого определена по формуле (1), Длительность второго полупериода мультивибратора ( 2 ) определяется экспоненциально спадающим напряжением на резисторе 6. Величина этого напряжения стремится к нулю от первоначального значения, равного сумме напряжения опрокидывания и напряжения питания мультивибратора ( Uo и п ) Полупериод кончается при напряжении на резисторе 6, равном напряжению опрокидывания и определяется по формуле -С -RCPn г.ясг. (2) Из формул (1) и (2), скважность (Q) и частота ( ) определяются по формулам tHC«Jo Un)|Uo (3) eii(2Un-UoVUj,-Uo I (2ип-Цо о- ип) (Un-Oo Uo(4) Из формул (З) и (4) вытекает, что скважность и частота генерируемых мультивибратором импульсов при фиксированных величинах емкости конденсатора 5 (С) и сопротивления резистора б (R), зависят от напряжения питания мультивибратора и напряжения опрокидывания. Очевидно и то, что для сохранения неизменными скважности и частоты при изменении напряжения питания достаточно соответственно изменять напряжение опрокидывания, e/tajOKe,что каждому значению скважности при фиксированных параметрах времязадающей цейи соответствует одно значение частоты. Введение в схему мультивибратора дифференциального усилителя 10 с большим коэффициентом усиления обеспечивает переход мультивибратора из одного квазиустойчивого состояния в другое и обратно, а практически при одном и том же напряжении опрокидывания на затворе транзистора 7 - и малую длительностьперехода, а работе транзисторов 1, 2 и 3; 4, включенных в каскады, собранные по схеме истоковых повторителей, с динамическими/нагрузками, в ключевом режиме в квазиустойчивых состояниях муль;ТИвибратора обеспечивает во все время каждого из квазиустойчивьрс состояний подключение к времяэадающей цепи полного напряжения стабилитрона 15. Таким образом, формулы (З) и (4/ применительно к вышеописанной работе схемы мультивибратора в достаточной степени корректны и можно, в соответствии с выпопами 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 резистивного делителя 12. Это напряжение, будучи приложенным к истоку транзистора 7 и одному из выводов резистивного делителя 11, определяет напряжение опрокидывания мултивибратора, так как с одной стороны задает смещение в цепи исток-затвор тра зистора 7, а с другой - определяет напряжение среднего уровня на входе дифференциального усилителя 10. Если скважность генерируемьк после включения импульсов больше расчетной, т.е. среднее 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 напр$Ькёние смешения на 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 11. Ослабление влияния величины выходного напряжения интегратора усилителя за счет подключения резистивного 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 резисти&ный делитель 11 уменьшает это напряжение. Благодаря такому включению резистивного делителя 11 в широком диапазоне регулирования скважности обеспечивается 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 вькоде мультивибратора.

Процесс продолжается по тех пор, пока среднее значение напряжения импульсов на выходе мультивибратора не станет равным напряжению в средней точке ре- зистивного делителя 1 2, соотношение, плеч которого выбирается так, что напряжение в средней точке обратно пропорционально выбранной скважности, соответствующей заданной частоте при определенных параметрах времязадаюшей цепи. Есии при включении мультивибратора скважность импульсов оказывается меньще рас1етной, среднее значение напряжения импульсов, действующих на инвертирующем входе интегратора 9 оказывается большим чем напряжение в средней точке резистивного делителя 12, подключенной к неинвертирующему входу этого усилителя, и напряжение на его выходе, соединённом с истоком транзистора 7, уменьшается. При этом, как было показано выше, умещоцается напряжение опрокидывания и увепичивается скважность импульсов. Процесс заканчивается, когда скважность и частота импульсов станет равной расчетной, заданной соотношением плеч резистивного делителя 12. Если в установившемся после включения режиме изменяется частота и скважность генерируемых мультивибратором импульсов из-за нестабильности напряжения источника питания или параметров порогового Устройства, то это прояв- пяется как неравенство среднего значения Напряжения на выходе мультивибратора и Напряжения в средней точке резистивного делителя 12, т.е. на входах интегратора 9, что вызывает соответствующее изменение напряжения на его выходе, компенсирующее уход скважности и частоты изменением напряжения строкидыёаний. .

Таким образом в мультивибраторе осуществлйется стабилизация скважности и частоты генерируемых им импульсов при воздействии дестабилизирующих факторов, вызывающих изменение напряжения питания и параметров элементов схемы.

Применяя известные приемы для анализа следующей системы мультивибратора, рассматриваемую схему можно представить как стабилизатор среднего значения напряжения на вь1Ходе мультивибратора, в котором роль ключующего элемента вьшолняет транзистор 3, а величина стабилизируемого, напряжения ( Uj; ) равна опорному, полученному в средней точке резистивноIX) делителя 12. В качестве входного напряжения эквивалентного стабилизатора выступает напряжение питания yльтивибратора, а нестабильность выхо цного напряжения рценивается как отклонетфе от величины опорного ( лО ).

Очевидно, что каждой величине отклонения выходйого напряжения от номитльHbJro { Uf. ) соответствует отклонение с

номинальной скважности что

Jc qa На основании формул (3), (4) и (5) выведены соотношения, позволяющие приближенно оценить величины нестабильности скважности (лО|р) и частоты импульсов (5|), генерируемых мультивибратором, Вывод приближенных соотношений сделан ОЛЯ случая, когда мультивибратор работает в режиме больших скважностей ( О 2) и в режиме генерации меандра ( Q 2). Величины нестабильности скважности и частоты определены при изменениях напряжения опрокидывания ( Д UQ ) и напряжениях питания мультивибратора ( is.Un) npti условии, что коэффициент усиления интегратора 9 равен величине К. Для случая ла при К . fAUn AUp 1 - - L n и, Г/дУ X /ли 3 I Ч М ) (1 ) ,L n/ 3 Ьи 3 при К Рассмотрение п эиведенных соотношений показывает, что при реально возможных дестабилизирующих факторах величины нестабильностей скважности могут бы получены порядка 10 для скважностей до 6-7. Величины нестабильностей частоты мо гут бь1ть получены на два порядка меиьшими при использовании мультивибратора в качестве генератора симметричной прямоугольной волны. Величина дрейфа налря жения смещения интегратора цри использовании современной элементной базы мо жет быть получена порядка долей милливольт, что при реальных напряжениях питания мультивибратора вызывает дрейф скважности порядка Ю , а частоты при скважности около 2. порядка , Использование предлагаемого мультивибратора позволяет получать колебания прямоугольной формы, стабипизировйнной скважности/й частоты. При ограниченном числе прецизионных элементе, содержащихся в MyjttiTHBHGpaTope, может быть получена стабильность частоты того же порядка, что и стабильность параметров этих элементов. ормула изобретения Мультивибратор, содержащий первый и второй двухтактные каскады на МДП-транзисторах, времязадающую цепь, состоящую из соединенных последовательно конденсатора и резистора, включенную между выходами первого и второго двухтактных каскадов, инвертор на МДП-транзисторе с резистивной нагрузкой в цепи стока, вход которого подсоединен к месту соединения конденсатора и резистора времязадаюшей цепи, отличающийся тем, что, с целью стабилизации частоты и скважности генерируемых импульсов, в него введены интегратор, первый резис- , тивный делитель, дифференциальный усилитель и второй резистивный 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 вь выход подключен к истоку МДП-транзистора инвертора, к стоку которого подсоединен неинвертирующий KV R-nToDnrn попсоепинен вход дифференциального усилителя,прямой выход которого подключен к затворам пёрвого МДП-транзистора второго двухтакт ного каскада и второго МДП-транзистора первого двухтактного каскада, инверсный выход дифференциального усилителя подключен к затворам второго МДП-транзистора второго двухтактного каскада и первого МДП-транзистора первого двухтактного каскада, а инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к средней точке второго резистивного делителя, включенного между истоком МДПтранзистора инвертора и полюсом источника питания. Источники иге юрмации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 387502, кл. Н 03 К 3/281, 24.05.71. . 2. Патент Японии № 44-404О7, кл, Н ОЗ К 3/282, 17.05.72 (прототип).