Мультивибратор Советский патент 1981 года по МПК H03K3/28 

(54) МУЛЬТИВИБРАТОР

Изобретение относится к электронным устройствам для генерирования ко лебаний прямоугольной формы и может использоваться для получения электрических импульсовзаданной частоты и скважности в различных времязадающих устройствах. Известен мультивибратор, содержащий двухтактные первый и второй каскады на МДП -транзисторах, времязада щую цепь, состо5лдую из соединенных последовательно конденсатора и резис тора, включенную между выходами первого и второго каскадов, инвертор на МДП-транзисторе с резисторной на грузкой в цепи стока, вход которого подсоединен к месту соединения конде сатора и резистора времязадающей цепи, интегратор, первый резисторный Д литель, дифференциальный усилитель и второй резисторный делитель, причем инвертирующий вход интегратора подключен к выходу второго каскада, его неинвертирующий вход подключен к средней точке первого делителя,включенного между п люсами источника питания, а выход подключен к истоку транзистора инвертора, к стоку которого подсоединен неинвертирующий вхо дифференциального усилителя, прямой выход которого подключен к затворам первого транзистора второго каскада и второго транзистора первого каскада, инверсный выход дифференциального усилителя подключен к затворам второго транзистора второго каскада и первого транзистора первого каскада-, а инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к средней точке второго делителя включенного между истоком транзистора инвертора и полюсом источника питания Ul . 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 достижания указанной цели в устройство, содержащее двухтактные первый и второй каскады на-МДП-транэисторах, времязадающую .тепь,йостоящую КЗ соединенных посло/лвательно конденсатора..и резистора, включенную между выходами первого и второго каскадов, инвертор на МДП-транзисторе с резисторией нагрузкой в цепи стока, вход которого подсоединен к месту соединения конденсатора и ре зистора времязадающей цепи, интегратор, первый резисторный делитель,дяф ференциальный усилитель и второй реэисторный делитель, причем инвертирующий вход интегратора подключен к выходу второго каскада, его неинвертирующий вход подключен к:средней точке первого делителя, включенного между полюсами источника питани а выход подключен к истоку транзисто ра инвертора, к стоку которого подсоединен неинвертирующий вход диф ференциального усилителя, прямой вы ход которого подклю.чен к затворам первого транзистора второго .каскада и второго транзистора первого каскада, инверсный выход дифференциального усилителя подключен к затворам второго транзистора второго каскада и первого транзистора первого- каскада, .а инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к средней точке второго делителя, включенногомежду истоком транзистора инвертора и полюсом источника питания,введены резистор иМДП-транзистор,соединенные последовательно между собой и подклю ченные параллельно резистору, времязадающей цепи причем затвор-транзистора присоединен к выходу дифференциального усилителя. На чертеже изображена принципиаль ная электрическая схема предлагаемо го мультивибратора. Мультивибратор содержит двухтактные каскады.на транзисторах 1 и 2, 3 и 4 соответственно, времязадающую цепь, состоящую из конденсатора 5 и резистора 6, инвертор на ВДП-транзисторе 7 с резисторной нагрузкой 8, интегратор 9, дифференциальный усилитель 10, резисторные делители 11 и 12, балластные резисторы 13 и 14, стабилитрон 15. Параллельно резистору 6 времязадающей цепи включены последовательно соединенные резистор 16 и МДП-транзисто 17, играющий роль ключа. Транзисторы 1,2 и 3,4 выступают как бесконтактный переключатель для переключения времязащающей цепи межд полюсами источника питания мультивибратора. Инвертор 7 и дифференциал ный усилитель 10 составляют порого вое устройство, служащее для управле ния бесконтактные переключателем на транзисторах 1-4. Резисторный де .литель 11 служит для выбора режима инвертора 7, соответствующего порогу, и напряжения среднего уровня на входе дифференциального усилителя 10, Интегратор 9 служит блоком сравнения импульсного напряжения, д ствующего в точке соединения истока транзистора 3 и стока транзистора 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 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 присоединен стоки транзисторов 1 и 3 непосредственно и 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 настабилитроне 15 и соотношения сопротивлений балластных резисторов 1.3 к 1.4 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 з.атворам транзисторов 2 и 3 с первого выхода дифференциальйого усилителя приложено запиракидее 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 в инверсном включении, так же как в другом квазиустойчивом состоянии мультивибратора работает транзистор Ток заряда конденсатора 5 протек ет от источника питания, стабилизированного стабилитроном 15, через п ностью открытый транзистор 1, конде сатор 5, резистор б, соединенный с ним параллельно через транзистор 17 резистор 16 и полностью открытый транзистор 4, поддерживая на затворе транзистора 7 отпиракяций потенци ал за счет падения напряжения на резисторе 6. По мере заряда конденсатора ток заряда уменьшается, умен шается напряжение на резисторе 6, открывающее транзистор 7, уменьшается ток стока этого транзистора. К да ток стока.транзистора 7 упадет до такой величины, при которой напр жение на его стоке, станет близким к напряжению в средней точке делителя 11, напряжения на выходах дифференциального усилителя, вышедшего из режима ограничения выходного сиг нала, 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 д намическ}1ми нагрузками, входят также в линейный режим. Это..приводит к тому, что включается цеП1 положительной обратной связи через конденсатор 5 на зат-. вор транзистора 7, что в свою очеред приводит к ускорению падения тока этого транзистора, увеличению напря жения на его стоке, подключенном ко входу дифференциального усилителя, ускорению соответствующих 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 дифференциального .усилителя, и следовательно, скорость изменения напряжения на его выходах. Заканчивается процесс перехода мультивибратора в новое квазиустойчивое состояние при переходе дифференциального усилителя 10 в режим ограничения, а транзисторов 1,2,4 и 3 - в ключевой режим, соответствую щий з.апертым транзисторам 1 и 4 и отпертым 2 и 3. Вместе с транзисто рами 1 и 4 запирается транзистор 17, отключая резистор 16 от времязадакнце цепи. За счет того, что в схеме-используется дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления и достаточным быссродействием, время перехода в новое квазиустойчивое состояние мультивибратора пренебрежи мо мало по отношению ко времени его 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 (UD) и напряжением на резистеое 6, KOTOpoq в этот момент равно нагряжению оп15окидывания (и). В начале полупериода, соответствующего новому квазиустойчивому состоянию мультивибратора, на затворе транзистора 7 действует напряжение, до которогобыл заряжен конденсатор 5 во время предшествующего квазиустойчивого 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 наней 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 величинь, 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 вызывает ускорение падения напряжения на его- стоке, и следовательно, процесс приобретает лавинообразный характер. Опрокидывание мультивибратора, т.е. переход его в cJJeдylш ee квазиустойчивое состояние, заканчивается тем, что дифференциальный усилитель переходит вновь в режим ограничения напряжений на его выходах при полярностях этих напряжений, про тивоположных существовавшим в предыдущем полупериоде. Этот пр ДЕщущий полупериод заканчивается как и первый из рассмотренных выше квазиустой чивых состояний при напряжении на за воре, равном напряжению опрокидывания (и о). Действительно, опрокидывание муль тивибратора происходит при приближении 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 выходе из первого из рассмотренных выше квазиустойчивых состояний мультивибратора. Изложенное справедливо поскольку в течение по крайней мере двух полупериодов работы мультивибратора напряжение на истоке транзистора 7 практически неизменно, так как интегратор 9 имеет постоянную времени на несколько порядков большу времени полупериода. Таким образом рассмотренный полупериод заканчивает ся, когда конденсатор 5 заряжается до напряжения опрокидывания. Учитывая, что перезаряд конденса тора в этом полупериоде начинался с.напряжения на нем, полученного в результате заряда во время первого после включения квазиустойчивого сос тояния ( Ug), а при перезаряде напряжение на конденсаторе стремитс по экспоненциальному закону к напря жению питания, равному напряжению н стабилитроне 15 (Uj), что .конец полу периода соответствует напряжению на конденсаторе 5, равному напряжен опрокидывания (UQ), а постоянная вр мени цепи перезаряда определяется сопротивлением резистора 6 и емкостью конденсатора 5 и, так как влиянием сопротивления транзисторных клю чей можно пренебречь, длительность полупериода, определяется по формуле: ,.f lUn-Up ,j V4 Здесь постоянная времени t определяется сопротивлением резистора 6 и емкостью конденсатора 5. В начале следующего рассматриваемого полупериода отпирающее напряжение на затворе транзистора 7 равно сумме напряжения, до которого зарядился конденсатор в предьщущей полупериод, и напряжения питания, определяемого стабилитроном 15. Во время этого полупериода иде± перезаряд конденсатора, который продолжается до тех пор, пока напряжение на резис торе 6 и затворе транзистора 7 не уменьшится до напряжения опрокидывания, устройство перейдет в другое квазиустойчивое состояние -и начнется новый полупериод, повторяющий тот, длительность которого определена по формуле til. Длительность второго полупериода мультивибратора (f определяется экспоненциально спсщающим напряжением на резисторе б. Величина этрго напряжения стремится к нулю от первоначального значения, равного сумме напряжения опрокидывания и напряжения питания мультивибратора (Up и„ ). Полупериод кончается при напряжении на резисторе б, равном напряжению опрокидыванияUn-t-Uo, в формуле (2)постоянная времени вре1 язадающёй цепи определяется сопротивлением резисторов 6, 16 и емкостью конденсатора 5. Из (1) и (2) скважность CQ) и частота (f ) определяется как: ... f.en- г,.) ena..).|en Из СЗ) 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 У/ и ц 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 схему мультивибратора 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 в каскады, собранные по схеме истоко аых повторителей с динамическими на грузками в ключевом режиме.кваэиустойчивых состояниях мультивибратора обеспечивает во все время каждого из квазиустойчивых 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 обра зом. После включения на выходе интег ратора возникает напряжение, величина которого равна напряжению в средней точке делителя 12. Это напряжени будучи приложенным к истоку транзистора 7 и одному из выводов делителя 11, определяет напряжение опрокидывания мультивибратора, так как с одной стороны задает смацение 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 рас четной, 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 интег ратора растет, как и напряжение смещения на истоке транзистора 7, а сле довательно, и напряжение на его затворе, при котором ток стока достигает величины, соответствующей равенст ву напряжения на стоке напряжению в средней делителя 11. Ослабление влияния величины выход ного напряжения интегратора усилителя за счет подключения делителя 11 к его выходу несущественно, так как по отношению к выходному напряжению интегратора 9 транзистор 7 оказывает ся включенным в схему усилителя с общим затвором, а делитель 11 в широ диапазоне регулирования скважнос ти обеспечивает опрокидывание мультивибратора не при экстремальных, а при средних значениях тока стока транзистора 7, соответствующих более высокой стабильности его параметров. jPocT напряжения на выходе интеграто ра 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 точке делителя 12, соотношение плеч которого выбирается так, что напряжение в средней точке обратно nponopiционально выбранной скважности, соответствующей заданной частоте при определенных параметрах времязгщаиощей цепи. Если при включении мультивибратора скважность импульсов оказывается меньше расчетной, среднк е значение напряжения импульсов, действующих на инвертирующем входе интегратора 9, оказывается большим, чем напряжение в средней точке делителя 12, подключенной к неинвертирующему входу это-. го усилителя, и .напряжение на его выходе, соединенном с истоком транзистора 7, уменьшается. При этом, каис было показано выие, уменьшается напряжение опрокидывания и Увеличивается скважность импульсов. Процесс заканчивается, когда скважность ичастота импульсов станут равными расчетным, заданным -соотношением плеч Делителя 12. Если в установившемся после включения режиме изменятся частота и скважность генерируеншх мультивибратором импульсов из-за нестабиЛьности напряжения источника питания или параметров порогового устройства, то- это проявится как неравенст-во среднего значения напряжения на вы-ходе мультивибратора и напряжения в средней точке, делителя 12, т.е. на входах интегратор.а 9, что вызьшает соответствующее изменение напряжения на его выходе и компенсирукадее 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 схемы. Анализ форяиул (3) и (4) позволяет, определить для каждого значения скааж ности Q отношение , соответствуюее максимальной стабильности часоты при изменении напряжения пи ания Uf| или напр51жения опрок{здыания Ufl Величина этого отношения в завй-ц , бпредеимости от параметра niviwuAjn WJ. иа сичсх ., яющего также частоту и скважность, ыражается формулой: , - х-Й-- ,„ % Таким образом, соотношение - v айденное для данной частоты и скважости из (3) и (4) , определяет сотношение сопротивлений резисторов б 16, обеспечивающее макси сшьную табильность частоты импульсов, генеируемых мультивибратором. С учете изложенного на основании формул (3), U) и (.5) выведены соотношения, позволяющие оценить величины нестабильности скважности (р-) и частоты импульсов (-) генерируе мых мультивибратором. Величины неста бильности скважности и частоты опред лены при изменении напр51жения опроки дывания ( .& и0)и напряжения питания .( & ип)при условии, что коэффициент усиления интегратора 9 равен К. Ли а / доп uUo ir-Tvu;;и;ДТ . А г, uUn ч11 /f gi ei l -TJr иГ i ПРИ . Рассмотрение приведенных соотноше ний .показывает, что использование мультивибратора по предлагаемой схеме позволяет получить величины неста бильности частоты и скважн.Ости импул сов при больших скважностях импульсов такого же порядка, как и для симметричной прямоугольной волны, т.е. частоты порядка , а скважности - порядка 10 Использование мультивибратора, выполненного в соответствии с предлагаемым 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 - времязадакицей 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.№738107, 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 инфо{Я1ации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 738107, кл. Н 03 К.3/28,15.02.78 (.прототип) i