Мультивибратор

ОП ИКАНИЕ

И ЗОБгеЕТЕ Н ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ii)738107

Союз Советских

Социалистических

Республик (6! ) Дополнительное к ввт. сеид-ву (22) Заявлено 15.02.73 (21) 2580375/18-21 с присоединением заявки Ж (5! )М. Кл.

Н 03 К 3/28

Госудерстевенмй ксмнтет

СССР (23) П риоритет

Опубликовано 30.05.80. Бюллетень Ж20

Дата опубликования описания 02.06.80 до делам изобретений и открытий (53 ) УД К 6 21.374..01 1(088.8) (72) Автор. изобретения

A. И. Лапицкий (7I) Заявитель (54) МУЛЬТИВИБРАТОР

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

5 в различных времязадающих устройствах, Известны мультивибраторы на МДПтранзисторах с нагрузочными транзисторами в стоковой цепи и с перекрестной

1О 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 дели-, теля напряжения питания на двух транаис торах, у которых затворы соединены со стоками (1 ).

Недостаток данных устройств заключается в том, что нестабильность напряже-ния источника питания и параметров гранэисторов вызывает нестабильность частоты и скважности импульсов, генерируемых мупьтивибра тором, Известны также мультивибраторы, содержащие первый и второй двухтактные каскады на МДП-транзисторах, времязадаюшую цель, инвертор на МДП-транзисторе с резистивной нагрузкой в цепи стока (2)

Указанные мультивибраторы имеют недосгаточную стабильность частоты и скважности генерируемых импульсов.

Цель изобретения - стабилизация частоты и скважности генерируемых импульсов.

Для достижения указанной цели в устройство, содержащее двухтактные первый и второй каскады на МДП-транзисторах, времяэадаюшую цепь, состояшую из соединенных последовательно конденсатора и резистора, включенную между выходами первого и второго двухтактных каскадов, инвертор на МДП- гранзисторе с резистивной нагрузкой в цепи стока, вход которого подсоединен к месту соединения конденсатора и резистора времязадающей цепи,. введейы интегратор, первый резистивный делитель, дифференциальный усилитель и второй реэистивный делитеить,причем ин8107 от го им то

5 нь бил чес тро

1О вого МДП-транзистора второго двухтактно- тра

3 73 вертируюший вход интегратора подключен к выходу второго двухтактного каскада, его неинвертируюший вход подключен к средней точке первого реэистивного делителя, включенного между полюсами источника питания, а выход подключен к истоку МДП-транзистора инвертора, к стоку которого подсоединен неинвертирующий вход дифференциального усилителя, прямой выход которого подключен к затворам пер.го каскада и второго МДП-транзистора первого двухтактного .каскада, инверсный выход дифференциального усилителя подключен к затворам второго МДП-транзис тора второго двухтактного каскада и первого МДП-транзистора первого двухтакч ного каскада, а инвертируюший вход дифференциального усилителя подключен к средней точке второго реэисторного дели

/ теля включенного между истоком МДПтранзистора инвертора и полюсом источника .питания.

На чертеже представлена схема предпагаемого мультивибратора.

Мультивибратор содержит первый и второй двухтактные каскады на гранзисгорах 1 и 2, 3 и 4 соответственно, вре-.мяэадаюшую цепь, состояшую из кондеисато ра 5 и резистора 6, инвертор 7 на МДП-трен, эисторе с резистивной нагрузкой 8, интегра, тор 9, дифференциальный усилитель 10, первый и второй резистивные делители 1 1 и 1 2, . балльстные резисторы 13 и 14 стабилитрон 15.

Транзисторы 1, 2 и 3, 4 выступают как бесконтактный переключатель для переключения времяэадаюшей цепи между полюсами источника питания мультивибратора. Инвертор.7 и дифференциальный усилитель 10 составляют пороговое уст-. ройство, служашее для управления бесконтактным переключателем на транзисторах

1, 2, 3 и 4. Резистивный делитель 11 служит для выбора режима инвертора 7, соответствующего порогу, и велйчййй 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,"снимаемым с резистивного делителя 12, а также усилителем сигнала ошибки, выходное напряжение которого опре» деляет уровень напряжения на затворе транзистора 7, при котором происходит срабатывание порогового устройства. Со4 ношение сопротивлений плеч резистивноделителя 1 2 определяет скважность пульсов, генерируемых мультивибраром.

Резисторы 13 и 14 являются балласт ми резисторами параметрического стаизатора на стабилитроне 15. Параметри-. кий стабилизатор напряжения на стабипине 1 5 служит источником питания, к одноиэ полюсов которого присоединены стоки нэисторов 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

15 как правило, используется как обший провод. Выбор напряжения источника питания для интегратора 9 и дифференциального усилителя 10, напряжение на стибилитроне 15 и соотношения сопротивлений бал20 ластных резисторов 13 и 14 определяет достаточность уровня выходных сигналов упомянутых усилителей при напряжении сигнала среднего уровня на входе интегратора 9, близком к нулю.

25 Выходом мультивибратора служит место соединения истока транзистора 3 и стока транзистора 4, Место соединения истока транзистора 1 и стока транзистора 2 может служить выходом мультивиб30 pampa 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 резистивного делителя 11 настолько, что дифференциальный усилитель оказывается в режиме ограничения напряжения выход40 ных сигналов, то к затворам транзисторов

2 и 3 с первого выхода дифференциального усилителя прилагается запираюшее напряжение, а к затворам транзисторов 1 и

4 со второго выхода этого усилителя—

45 отпираюшее напряжение, причем благодаря высокому уровню выходных напряжений транзисторы 2 и 3 полностью заперты, а транзисторы 1 и 4 открыты. Напряжение питания дифференциального усилителя по50 добрано 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 3.

Ток заряда конденсатора 5 протекает от источника питания, стабилизированного стабнлитроном 15, через полностью от5 738107

5 ез исто крытый транзистор 1, через конденсатор ния, равного разности между напряжени

l ряж нием, резистор 6 и полностью открытый ТраН- питания заданного стабилитроном 15 (jiff ) зистор 4, поддерживая на затворе тран- и напряжением на резисторе 6, которое зистор 7 отпирающий потенциал эа счет и этот. Момент равно напряжению опроки« падения напряжения на резисторе 6. По дывания (О„) . .В начале полупериода, со-. мере заряда конденсатора ток заряда ответс гвующего новому квазиустойч нвому уменьшается, уменьшается напряжение на состоянию мультивибратора на затворе резисторе 6, открывающее транзистор 7, . Транзистора 7 де"ствует напрЯжениее до уменьшается ток стока этого транзистора. от рого был заРЯжен конденсатоР 5 во

Когда ток стока транзистора 7 упадет до Й ЬРемЯ предшествУющего квазиУстойчивого такой величины, при которой напряжение, состоЯНИЯ мУльтивибРатоРа, в погжРности на его стоке станет близким к напряже- запиРающей тРанэистоР 7. ПРи этОм нанию в средней точке резистивного дели- пРЯжение на стоке тРанэистоРа 7 больше

1 теля 1 1, тогда напряжение на выходах чем напРЯжение в сРедней точке Реэистив--. дифференциального усилителя, вышедшего 15 ного делителЯ 1 1, напрнжение на выходах иэ режима ограничения выходного cHI-Ha- дифференциального усилителя, приложенное. ла,:.изменяется таким образом, что тран- к затворам транзисторов 3, 2 и 4, 1, от зисторы 1 и 4 призакрываются, а тран- крывает первые и запирает вторые в клюзисторы 2 и 3 приоткрываются, причем чевом режиме. В течение полупериода идет каскады, собранные на них .по схеме ис- 26 перезаряд конденсатора 5 времязадающей токовых повторителей с динамическими цепи под действием разности потенциалов, нагрузками, входят также в линейный ре- действующей на ней, определяемой как жим. Это приводит к тому, что включает- арифметическаЯ сУмма fIafIPSDKåíHé источся цепь положительной обратной связи че- ника IIHT8HHff и напряж ни » go KOTopoFp рез конденсатор 5 на затвор транзистора 25 был заРЯжен конденсатоР 5 к началУ по7, что, в свою очередь, приводит к уско- пупериода. По мере перезаряда конденсарению падениЯ то этого транзистор, тора 5 ðàìeíHe на нем и на затвореувеличению напряжения на его стоке, под- транзистора 7 возрастает и изменяет поключенном ко входу дифференциального лярность. Когда напряжение на затворе усилителя, ускорению соЬтветствующих иэ Зо транзистора 7 возрастает до такой велименений напряжений на его выходах, уве- чины что, вследствие возрастания величи личению токов транзисторов 1 и 4 и ны тока стока, напряжение на его стоке уменьшению токов транзисторов 2 и 3, падает до величины, близкой к напряжению т,е, процесс носит лавинообразный харак в средней точке реэистивного делителя тер, Этот процесс проходит тем быстрее, 35 11, напряжение, действующее между âõîчем больше коэффициент усиления диффе- дами дифференциального усилителя 10, ренциального усилителя и, следовательно, уменьшается до величины, соответствую-. скорость изменения напряжения на его щей выходу этого усилителя из .режима выходах. Заканчивается процесс перехода ограничения напряжений на выходах. Намультйвибратора в новое квазиустоя- 49 пряжение на выходах дифференциального чивое состояние при переходе диффе- Усилителя 10 начинает изменяться таким ренциального усилитепя 10 и режим образом, что транзисторы 1 и 4 приоткрыограничения, а транзисторов 1, 2, 3 и 4 ваются, а транзисторы 2 и 3 начинают в ключевой режим, соответствующий за-": вакрываться, причем каскады соответствупертым транзисторам 1 и 4 и отпертым 45 Ьщих повторителей работают в этот мо2 и 3. За счет того, что в схеме исполь- ент в линейном режиме, вследствие чего зуется дифференциальный усилитель с вы- быстро возрастает напряжение на стоке .соким коэффициентом усиления и доста- транзистора 1. Это возрастание напряжеточным быстродействием, время перехода ния через конденсатор 5, входящий в цепь в новое кваэиустойчивое состояние муль- 50 положительной обратной связи, передается тивибратора пренебрежительно мало по оч На затвор транзистора 7, что вызывает ношению ко времени его прибывания к ускорение падения напряжения иа его сто-! квазиустойчивом состоянии, и можно очи- ке и, следовательно, процесс приобретает латать, что этому переходу соответствует винообразный характер. Опрокидывайием определенная величина напряжения опроки.. 55 Мультивибратора, т.е, переход его в сле,дывания на затворе транзистора 7 (О, ), ующее квазиустойчивое состояние заканК моменту опрокидывания мультивибрато тивается тем, что дифференциальный усира конденсатор 5 заряжается до напряже- литель переходит вновь в режим ограни738107 чения напряжений на его выходах, при полярности этиХ напряжений, противоположных сушествовашим в предыдущем полупериоде. Этот предыдущий полупериод заканчивается, как и первый из рассмотренных выше квазиустойчивых состояний, при напряжении на затворе, равном напряжению опрокидывания (Оо). Опрокидывание мультивибратора происходит при приближении напряжения на стоке транзистора 7 к на- )О пряжению в средней точке резистивного делителя 1 1, а следовательно, при том же токе стока и напряжении на затворе транзистора 7, что и при выходе из первого из рассмотренных выше кваэиустой- 15 чивых состояний мультивибратора, IIocKQJIb» ку в течение, по крайней мере, двух полупериодов работы мультивибратора, непря- жейие на истоке транзистора 7 практически неизменно, так как интегратор 9 име- 2о ет постоянную времени на нескольхо порядков большую временй полупериода. Таким образом, рассмотренный полупериод заканчивается, когда конденсатор 5 заряжается до напряжения опрокидывания. Учиты- 25 вая, что перезаряд конденсатора в этом полупериоде начинается с напряжения на нем, полученном в результате заряда во время первого после включения квазиустойчивого состояния (Π— О, ), а при ЗО перезаряде напряжение на конденсаторе стремится по экспоненциальному закону. к напряжению питания, равному напряжению на стабилитроне 15 (UII ), что конец полупериода соответствует напряжейию на 35 конденсаторе 5, равном напряжению опро-. кидывания (U ), а постоянная времени цепи перезаряда определяется сопротивле-, нием резистора 6 (Й ) и емкостью конденсатора 5 (С) и, так как влиянием -- 40 сопротивления транзисторных ключей можно пренебречь, длительность полупериода определяется по формуле

2U„-«U

1 0 -u . (1) 45 и о

В начале следующего рассматриваемого полупериода отпирающее напряжение на затворе транзистора 7 равно сумме напряжения, до которбго зарядился койденсатор в предыдущий полупериод, и напряжения 56 питания, определяемое стабилитроном 15, . Во время этого полупериода идет перезеряд, конденсатора, который продолжается до тех riop, пока напряжение на резисто-: ре 6 и затворе транзистора 7 не умень- 55 шится до величины напряжения опрокидывания, устройство перейдет в другое ква- иустойчивое состояние, и начнется новый

/ полупериод, повторяющий тот, длительность которого определена по формуле (1).

Длительность второго полупериода мультивибретора (Г ) определяется экспоненциально спадающим напряжением на резисторе 6. Величина этого напряжения стремится к нулю от первоначального значения, равного сумме напряжения опрокидывания и напряжения питания мультивибратора (0„+ 0 и ). Полупериод кончается при напряжении на резисторе 6, равном нанряжению опрокидывания и определяется по формуле о+ с =ксеп— (г)

Иэ формул (1) и (2), скважность (Ц) и частоте () определяются по формулам

K(IJ .))uo еи (2U„-o (u„-и (2Uï ЧРцо+ )

ВСЕ (Оп-Uo>. 0о . (4)

Из формул (3) и (4) вытекает, что скважность и частота генерируемых мультивибратором импульсов при фиксированных величинах емкости конденсатора 5 (С ) и сопротивления резистора 6 (R ), зависят от напряжения питания мультивибратора и напряжения опрокидывания. Оче» видно и то, что для сохранения неизменными скважности и частоты при изменении напряжения питания достаточно соответст» венно изменять напряжение опрокидывания, е также, что каждому значению скважности при фиксированных параметрах времяэадающей цепи соответствует одно значение частоты. Введение в схему мультивибратора дифференциального усилителя

l0 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 транзисторе 7 - и малую длитель-. ность перехода, а работе транзисторов 1., 2> и 3; 4, включенных в каскады, собранные по схеме истоковых повторителей, с динамическйми нагрузками, в ключевом режиме в квазиустойчивых состояниях мультивибратора обеспечивает во все время каждого из квазиустойчивых состояний подключение к времяэадаюшей 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

107

9 . 738 этих формул, стабилизировать скважность, и, следовательно, частоту импульсов путем управления величиной напряжения опрокидывания °

Работа соответствующей части схемы 5 протекает следующим образом. После включения на выходе интегратора возникает напряжение, величина которого равна напряжению. в средней точке реэистивного делителя 12. Это напряжение, будучи приложенным к истоку транзистора 7 и одному из выводов резистивного делителя 11, определяет напряжение опрокидывания муль- тивибратора, так как с одной стороны задает смешение 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 20 значение напряжения на выходе мультивибратора и на инвертируюшем входе интегратора меньше, чем в средней точке резистивного делителя 12, подключенного к неинвертирующему входу, растет напря-. жение на выходе интегратора и напряжение смещения иа 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 1 1. Ослабление влияния величины выходного напряжения интегратора усилителя эа счет подключения резис- тивного делителя 1 1 к его выходу несу- 3S щественно, так как по отношению к выходному напряжению интегратора 9 транзистор 7 оказывается включенным в схему усилителя с общим затвором, а резистив ный делитель 11 уменьшает это напря- 40 жение. Благодаря такому включению резистивного делителя 11 в широком диапазоне регулирования скважности обеспечивава ся опрокидывание мультивибратора не при экстремальных, а при средних значениях 45 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 $0 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 резистивного делителя 1 2, соотношение плеч которого выбирается так, что напря

1Р жение в средней точке обратно пропорционально выбранной скважности, соответсч вующей заданной частоте при определенных параметрах времяэадающей цепи. Ес1 пи при включении мультивибратора скважность импульсов оказывается меньше рас четной, среднее значение напряжения им- . пульсов, 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, соединенном с истоком транзистора 7, уменьшается.

При этом, как было показано вьппе, умень--" аается напряжение опрокидывания и увеличивается скважность импульсов, Процесс ваканчивается, когда скважность и частота импульсов станет равной расчетной, заданной соотношением плеч резистивного делителя 12, Если в установившемся пос- ле включения режиме изменяется частота и скважность генерируемых мультивибратором импульсов иэ-эа нестабильности наг пряжения источника питания или парамет« ров noporoaoro устройства, то это проявляется как неравенство среднего значения напряжения на выходе мультивибратора и спряжения 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 из« менением 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, Применяя известные приемы для анализа следующей системы мультивибратора, рассматриваемую схему можно представить как стабилизатор среднего значения напряжения на вйходе мультивибратора, в котором роль ключующего элемента выполня ет транзйстор 3, а величина стабилизируемого напряжения (Ц ) равна опорному, полученному в средней точке реэистивного делителя 12. В качестве входного напряжения эквивалентного стабилизатора выступает напряжение питания мультивибратора, а нестабильность выходного на-! пряжения оценивается как отклонение от величины опорного (Ь0с ).

Очевидно, что каждой величине отклонения выходного напряжения от номииальHoI о (AUo ) соответствует отклонение с

107

11 738 номинальной скважности (аС) ). Очевидно, что а,Ц

А0 = — — 0

Ч и; (5)

На основании формул (3), (4) и (5) 5 выведены соотношения, позволяющие приближенно оценить величины нестабильности скважности (Q(g ) и частоты импульсов (à3 j g ), генерируемых мультивибратором, Вывод приближенных соотношений сделан 10 для случая, когда мультивибратор работает в режиме больших скважностей (0 2) и в режиме генерации меандра (Q 2).

Величины нестабильности скважности и частоты определены при изменениях напря-, жения опрокидывания (Ь Ор ) и напряжениях питания мультивибратора (А0п) пр>. условии, что коэффициент усиления интегратора 9 равен величине К. Для случая

Я Я, <4 Q а0 U

20 и о

Я К .(Я g (aU а(Зов и п при К ф - -, й) (ьи„ au j -:= —;". ((— ":) (.":) 1"

ЙР 3 пра К» —.

Рассмотрение приведенных соотноше- щ ний показывает, что при реально возможных дестабилизирующих факторах величины нестабильностей скважности могут быть получены порядка 10 для скважностей до 6-7. 40

Величины нестабильностей частоты могут быть получены на два порядка мень-: шими при использовании мультивибратора в качестве генератора симметричной прямоугольной волны. Величина дрейфа напря4 жения смешения интегратора При использовании современной элементной базы может быть получена порядка долей милливольт, что при реальных напряжениях пи тания мультивибратора вызывает драй@

-Ъ скважности порядка 10, а частоты при скважности около 2 порядка 10, Использование предлагаемого мульти вибратора позволяет получать колебания прямоугольной формы, стабилизированной ss скважности,.и частоты. При ограниченном числе прецизионных элементов, содержашихся в мультивибраторе, может быть получена стабильность частоты того же порядка, что и стабильность параметров этих элементов.

Формула изобретения

Мультивибратор, содержащий первый и второй двухтактные каскады на МДП-транзисторах, времязадаюшую цепь, состояшую 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, о т л и ч а ю ш и и с я

/ тем, что, с целью стабилизации частоты .и скважности генерируемых импульсов, в него введены интегратор, первый резис-, тивный делитель, дифференциальный усилитель и второй реэистивный 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 выход подключен к истоку МДП-транзистора инвертора, к стоку которого подсоединен неинвертирующий вход дифференциального усилителя, прямой выход которого подключен к затворам первого МДП-транзистора второго двухтактного 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 двухтакт ного каскада, а инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к средней точке второго резистивного делителя, включенного между истоком МДПтранзистора инвертора и полюсом источника питания.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 387502, кл. Н 03 К 3/281, 24.05.7 1.

2. Патент Японии И 44-40407, кл. Н 03 К 3/282, 17,05.72 (прототип).