4.3.1. Автоколебательный мультивибратор

Схема автоколебательного мультивибратора приведена на рис. 4.7, а. Входы каждого из элементов Э1 и Э2 соединены – элементы использованы как усилители – инверторы. Выход одного элемента связан со входом другого цепью С1R2 (С2 R1), за счет чего (так же, как в схеме транзисторного мультивибратора) создается положительная обратная связь.

Диоды Д1, Д2 являются защитными, напряжение на них не может опуститься ниже UДотп » -0,7 В. В отсутствие Д1, Д2 на входы элементов через конденсаторы будут передаваться значительные отрицательные перепады напряжений, что выведет микросхемы из строя. Если защитные диоды имеются внутри самих микросхем, то необходимость установки их снаружи отпадает. Изменения потенциалов на выходах элементов обусловлены перезарядкой конденсаторов С1, С2.

Рассмотрим процессы в описываемой схеме, начиная с момента, когда на выходе Э1 потенциал скачком увеличился на Du1, а на выходе Э2 – скачком уменьшился (рис. 4.7, б). Вслед за этим под действием высокого уровня uВЫХ1 конденсатор С1 начинает заряжаться через выходное сопротивление элемента Э1 и резистор R2. Напряжение на резисторе R2 от тока заряда С1 имеет положительную полярность на входе Э2 и поддерживает этот элемент в открытом состоянии (uВЫХ2 = U0). В это время конденсатор С2 быстро разряжается через малое выходное сопротивление открытого элемента Э2 и диода Д1; напряжение на входе элемента Э1 (на отпертом диоде) мало, и он удерживается запертым (uВЫХ1 = U1).

По мере зарядки конденсатора С1 ток заряда уменьшается. За счет этого снижается падение напряжения на выходном сопротивлении элемента Э1 (благодаря чему uВЫХ1 возрастает); а также уменьшается напряжение uВХ2 на входе элемента Э2.

В некоторый момент напряжение uВХ2 опускается до значения, при котором рабочая точка элемента Э2 выходит на активный участок передаточной характеристики, где уменьшение uВХ2 вызывает увеличение uВЫХ2. Через конденсатор С2 это воздействует на вход элемента Э1. После того как uВХ1 возрастет до определенного уровня, рабочая точка элемента Э1 тоже выйдет на активный участок передаточной характеристики.

Когда оба элемента будут находиться в активном (усилительном) режиме, вступит в действие положительная обратная связь, за счет которой uВЫХ2 лавинообразно увеличивается, а uВЫХ1 аналогично уменьшается. В результате Э1 открывается (UВЫХ1 = U0), а Э2 закрывается (UВЫХ2 = U1). На рис. 4.7, б это соответствует тому, что uВХ2 становится равным пороговому напряжению UПОР.

После этого конденсатор С2 начинает заряжаться, а конденсатор С1 быстро разряжается через диод Д2 и выходное сопротивление открытого элемента Э1 – наступает второй полупериод, процессы в котором подобны описанным.

Напряжение на входе каждой микросхемы пропорционально току через резистор R1,2, т. е. экспоненциально уменьшается по мере зарядки конденсатора С2,1.

Если считать, что с момента появления импульса напряжение на входе элемента Э2 уменьшается от уровня U1 и стремится к нулю, то

где t1 = С1 (R2 + RВЫХ1) – постоянная времени зарядки конденсатора.

Полагая к тому же, что переключение элементов (окончание импульса) наступает, когда uВХ2 снижается до порогового напряжения UПОР, из предыдущего выражения получаем

Отсюда приближенное значение длительности импульса на выходе Э2 (при переходе от натуральных логарифмов к десятичным):

>

Аналогично длительность импульса на выходе элемента Э1:

где t2 = С2 (R1 + RВЫХ2).

Период  колебаний мультивибратора

При С1 = С2 = С и R1 = R2 = R t1 = t2= С (R + RВЫХ),

Пример 4.1. Определить длительность импульса, формируемого мультивибратором (см. рис. 4.7, а), если С1 = С2 = 7500 пФ, R1 = R2 = 510 Ом, U1 = 3,5 В, UПОР = 1,5 В, RВЫХ = 40 Ом.

В соответствии с выражением (4.3)

.

Недостатком мультивибратора (см. рис. 4.7, а) является возможность такого состояния, при котором оба элемента оказываются одновременно закрытыми (например, при медленном нарастании питающего напряжения при включении). Чтобы колебания могли появиться, рассмотренную схему дополняют элементом И и соответствующими связями (рис. 4.8). Часть схемы левее Э3, Э4 подобна схеме рис. 4.7, а.

Если мультивибратор работает нормально (т.е. имеют место состояния, когда один из элементов Э1, Э2 заперт, а другой отперт), то на входе элемента И разные логические уровни и на выходе его – логический нуль. При этом правый по схеме вы­вод резистора R1 через низкое выходное сопротивление открытого элемента Э4 по существу соединен с «землей» – принципиально схема аналогична приведенной на рис. 4.7, а. Если элементы Э1, Э2 одновременно заперты, на входах элемента И логические единицы и логической единицей с выхода Э4 открывается элемент Э1 – в схеме появляются условия для возникновения колебательного процесса.