Введение

Мультивибратор – это электронная схема, используемая для реализации различных простых устройств двух состояний, таких как генераторы релаксации, таймеры, триггеры и флип-флопы. Первая мультивибраторная схема, астабильный мультивибраторный генератор, была изобретена Анри Абрахамом и Эженом Блохом во время Первой мировой войны. Она состояла из двух усилителей на вакуумных лампах, перекрестно связанных резисторно-емкостной сетью. Они назвали свою схему «мультивибратором», поскольку выходная форма сигнала была богата гармониками. Для реализации мультивибраторов, генерирующих аналогичные, богатые гармониками формы волн, можно использовать различные активные компоненты, включая транзисторы, неоновые лампы, туннельные диоды и другие. Хотя схемы с перекрестной связью являются распространенной формой, также распространены и мультивибраторные генераторы на одном элементе. Существуют три основных типа мультивибраторных схем:

Астабильный мультивибратор, в котором схема не является стабильной ни в одном из состояний и постоянно переключается между ними. Он функционирует как генератор релаксации. Моностабильный мультивибратор, в котором одно из состояний стабильно, а другое – нестабильно (переходное). Импульс запуска вызывает переход схемы в нестабильное состояние. После перехода в нестабильное состояние схема возвращается в стабильное состояние через заданное время. Такая схема полезна для создания временного интервала фиксированной длительности в ответ на внешнее событие. Эта схема также известна как одновибратор. Бистабильный мультивибратор, в котором схема стабильна в любом из состояний. Переключение между состояниями осуществляется внешним импульсом запуска. Эта схема также известна как флип-флоп или триггер. Она может хранить один бит информации и широко используется в цифровой логике и компьютерной памяти. Мультивибраторы находят применение в различных системах, где требуются прямоугольные импульсы или заданные временные интервалы. Например, до появления недорогих интегральных схем цепочки мультивибраторов использовались в качестве делителей частоты. Мультивибратор, работающий в режиме свободной генерации с частотой от половины до одной десятой опорной частоты, точно синхронизируется с опорной частотой. Эта техника использовалась в ранних электронных органах для точной настройки нот разных октав. Другие области применения включали ранние телевизионные системы, где частоты развертки строк и кадров синхронизировались импульсами, включенными в видеосигнал.

Устойчивый

Астабильный мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов, соединенных в контур положительной обратной связи двумя емкостно-резистивными цепями связи. Усилительными элементами могут быть биполярные или полевые транзисторы, вакуумные лампы, операционные усилители или другие типы усилителей. На рисунке 1, в правом нижнем углу, показаны биполярные транзисторы. Схема обычно изображается в симметричной форме в виде пары с перекрестным включением. Два выходных вывода определяются на активных элементах и имеют противоположные состояния. Один из них находится в состоянии высокого напряжения, а другой – в состоянии низкого напряжения, за исключением кратковременных переходов между этими состояниями.

Форма выходной импульса

Выходное напряжение имеет форму, приближающуюся к прямоугольной форме волны. Далее оно рассматривается на примере транзистора Q1. В состоянии 1, p-n переход база-эмиттер транзистора Q2 заперт, а конденсатор C1 "отключен" от земли. Выходное напряжение включенного транзистора Q1 быстро изменяется от высокого к низкому, поскольку этот выход с низким сопротивлением нагружен высокоимпедансной нагрузкой (последовательно соединенный конденсатор C1 и высокоомный резистор базы R2). В состоянии 2, p-n переход база-эмиттер транзистора Q2 открыт, а конденсатор C1 "заземлен". Выходное напряжение выключенного транзистора Q1 изменяется экспоненциально от низкого к высокому, поскольку этот выход с относительно высоким сопротивлением нагружен низкоимпедансной нагрузкой (конденсатор C1). Это выходное напряжение интегрирующей цепи R1C1. Для приближения к требуемой прямоугольной форме волны, сопротивление коллекторных резисторов должно быть низким. Сопротивление базовых резисторов должно быть достаточно низким, чтобы обеспечить насыщение транзисторов в конце фазы восстановления (RB < β. RC).

Начальное включение

Когда схема впервые включается, ни один из транзисторов не будет открыт. Однако это означает, что на этом этапе на обоих транзисторах будут высокие напряжения на базе, и, следовательно, будет наблюдаться тенденция к открытию. Неизбежные небольшие асимметрии приведут к тому, что один из транзисторов откроется первым. Это быстро переведет схему в одно из описанных выше состояний, и начнется колебание. На практике колебания всегда возникают при реальных значениях R и C.

Однако, если схему временно удерживать с высоким напряжением на обеих базах в течение времени, превышающего время полной зарядки обоих конденсаторов, то схема останется в этом стабильном состоянии: на обеих базах будет 0,60 В, на обоих коллекторах – 0 В, а оба конденсатора будут заряжены в обратном направлении до −0,60 В. Это может произойти при запуске без внешнего воздействия, если R и C достаточно малы.

Разделитель частот

Многовибратор может быть синхронизирован с внешней цепочкой импульсов. Одна пара активных элементов может использоваться для деления опорной частоты на большое отношение, однако стабильность этого метода невелика из-за колебаний напряжения питания и параметров элементов схемы. Например, получить коэффициент деления 10 легко, но он ненадежен. Цепочки бистабильных триггеров обеспечивают более предсказуемое деление, но требуют большего количества активных элементов.

Защитные компоненты

Хотя диоды, включенные последовательно с базой или эмиттером транзисторов, не являются критически важными для работы схемы, они необходимы для предотвращения пробоя обратного смещения на переходе база-эмиттер, когда напряжение питания превышает напряжение пробоя Veb, которое обычно составляет около 5-10 вольт для кремниевых транзисторов общего назначения. В моностабильной конфигурации требуется защита только для одного из транзисторов.

Моностабильный

В моностабильном мультивибраторе одна резистивно-емкостная цепь (C2 R3 на рисунке 1) заменяется резистивной цепью (просто резистором). Схему можно рассматривать как мультивибратор, представляющий собой половину астабильного мультивибратора. Напряжение на коллекторе Q2 является выходным сигналом схемы (в отличие от астабильной схемы, он имеет практически прямоугольную форму, поскольку выход не нагружен конденсатором). При поступлении входного импульса, моностабильный мультивибратор переходит в нестабильное состояние на определенное время, а затем возвращается в стабильное состояние. Время, в течение которого моностабильный мультивибратор остается в нестабильном состоянии, определяется выражением t = ln(2)R2C1. Если повторные входные импульсы поддерживают схему в нестабильном состоянии, она называется перетриггерируемым моностабильным мультивибратором. Если последующие импульсы не влияют на длительность импульса, схема является неперетриггерируемым мультивибратором. Для схемы на рисунке 2 в стабильном состоянии Q1 выключен, а Q2 включен. Срабатывание происходит при подаче на базу Q2 нулевого или отрицательного входного сигнала (с тем же успехом можно вызвать срабатывание, подав положительный входной сигнал через резистор на базу Q1). В результате схема переходит в состояние 1, описанное выше. По истечении времени, она возвращается в свое стабильное начальное состояние.

Бистабельный

В бистабильном мультивибраторе обе резистивно-емкостные цепи (C1 R2 и C2 R3 на рисунке 1) заменяются резистивными цепями (только резисторы или прямое соединение). Эта схема триггера схожа с астабильным мультивибратором, за исключением отсутствия времени заряда или разряда из-за отсутствия конденсаторов. Следовательно, при включении схемы, если Q1 открыт, его коллектор находится на 0 В. В результате Q2 закрывается. Это приводит к тому, что на R4 подается напряжение, превышающее половину +V, что вызывает ток в базу Q1, тем самым поддерживая его в открытом состоянии. Таким образом, схема остается стабильной в одном состоянии постоянно. Аналогично, Q2 остается открытым постоянно, если он случайно открылся первым. Переключение состояния может осуществляться через входы Set и Reset, подключенные к базам. Например, если Q2 открыт и Set кратковременно заземлен, это закроет Q2 и откроет Q1. Таким образом, Set используется для установки Q1 в открытое состояние, а Reset – для его закрытия.