Мультивибраторы на КМОП-микросхемах

Андреев С.
Во многих схемах, построенных на логических микросхемах есть источники прямоугольных импульсов, - мультивибраторы, построенные на логических элементах.
Здесь пойдет речь о мультивибраторах на логических элементах КМОП-логики, представляющей собой цифровые микросхемы с низким потреблением энергии, и способностью работы в широком диапазоне напряжения питания. Такие микросхемы построены по «полевой» технологии и, вкратце, характеризуются высоким, почти бесконечным входным сопротивлением. В отношении мультивибратора это значит то, что R-составляющая может быть весьма большой величины, - от килоома до десятков мегаом. Впрочем, есть и пределы, - меньше 1 кОм R-cocтавляющую брать не стоит, - мультивибратор вряд-ли запустится, да и более 20 МОм - могут быть проблемы.


На рисунке 1 показана, пожалуй, самая популярная схема мультивибратора на двух логических элементах. Такая схема может быть построена на любых двух логических инверторах микросхем серий К561, К176 или зарубежных аналогов типа «CD40xxx» и других. Для создания мультивибратора по схеме на рисунке 1 нужно два логических инвертора. На рисунке 1 показан вариант для двух элементов «2ИЛИ-НЕ» микросхемы К561ЛЕ5 (CD4001) переведенных в режим инверторов путем соединения вместе всех входов каждого логического элемента.


На рисунке 2 схема для одновходовых элементов (микросхема К561ЛН2), а на рисунке 3 - для четырехвходовых (микросхема К561ЛА9). Сколько бы входов у каждого элемента не было, для создания инвертора их соединяют вместе.
Кстати, выходом в этих схемах может быть не только выход элемента D1.2, но и элемента D1.1. На том и на другом будут импульсы, но они будут противофазные (когда на выходе D1.1 ноль, на выходе D1.2 единица, и наоборот).
Частоту мультивибратора по схемам на рисунках 1, 2, 3 можно приблизительно рассчитать по формуле: F = 0,5/(RC).
В формуле F - в кГц, R - в кОм, С - в мкФ. Почему приблизительно? Потому что многое зависит от типа логических элементов и используемой микросхемы, кроме того, имеется некоторая зависимость и от напряжения питания.
Например, для микросхемы К561ЛЕ5 более точная формула: F=0,46/(RC), а для К561ЛА7 формула: F=0,52/(RC), для микросхемы К561ЛН2: F=0,48/(RC).
Еще и напряжение питания может внести погрешность до 10-15%.
Немного реже в радиолюбительской, а так же в справочной литературе и, чаще всего, в промышленной аппаратуре встречается схема, показанная на рис. 4.




Здесь присутствует дополнительный резисторR2. Его назначение в ограничении тока разряда конденсатора через диоды, имеющиеся на входах логических элементов. Практически, резистор R2 делает схему более надежной, она работает более мягко, без пиковых перегрузок при заряде-разряде конденсатора.
Конечно же, сопротивление этого резистора тоже оказывает влияние на частоту, и чтобы это влияние было минимальным следует брать сопротивление R2 не более 0.01R1, но не ниже 1 кОм, иначе в R2 уже не будет никакого смысла. На практике сопротивление R2 часто бывает равно или даже больше R1.
Резистор R2 можно включить и так, как на схеме по рисунку 5, - последовательно конденсатору, но такая схема встречается крайне редко, потому что R2 образует с R1 делитель напряжения на входах D1.1, что при близких значениях R2 и R1 может сделать мультивибратор неработоспособным.
Больше стабильность частоты в зависимости от напряжения питания дает схема мультивибратора на трех логических элементах, показанная на рисунке 6 (и рисунке 7 с токоограничительным резистором R2).
Если сравнить схему на рис. 6 со схемой на рисунке 1 станет заметно, что правый по схеме вывод резистора R подключен, на рис. 6, к выходу D1.2 через инвертор D1.3, а на рисунке 1 - к выходу D1.1. То есть, логически рассуждая, разницы никакой нет. Но, сопротивление, включенное между входом и выходом одного логического элемента придает ему свойства аналогового усилителя. На рисунке 6 же, в «линейке» между выводами R целых три элемента, а в результате более стабильный режим и как следствие меньшая зависимость частоты от напряжения питания микросхемы.
В этих схемах (рис.6, 7) выходом тоже может быть совсем не обязательно выход D1.3, но так же и выход D1.2, если нужно получить импульсы, противофазные импульсам на выходе D1.3.
В некоторых схемах весьма важна скважность импульсов, ширина полуволн, то есть, соотношение времени, в течение которого на выходе единица, ко времени, в течение которого на выходе ноль.
В таком случае используют схему, показанную на рисунке 8.

Здесь есть два резистора, определяющих частоту - R1 и R3, причем работают они каждый в своей полуволне, а диоды VD1 и VD2 служат переключателем этих резисторов. Изменяя соотношение сопротивления R1 к R3 можно поучить на выходе импульсы самой различной скважности.
Длительность единицы можно определить по формуле: t1 = 0.8CR1.
Длительность нуля: t0 = 0.8CR3.
Существуют логические элементы с эффектом триггера Шмитта, суть отличия в том, что у них есть некий гистерезис, разница напряжений на входе, при котором происходит переключение в логическую единицу и логический ноль. Благодаря этому замечательному свойству мультивибратор с RC-цепью, задающей частоту импульсов можно сделать всего на одном таком логическом элементе.


На рисунке 9 показана схема мультивибратора на логическом элементе микросхемы К561ТЛ1 (зарубежный аналог CD4093).
Приблизительную частоту генерации для такого варианта можно определить по формуле: F = 1,78/RC,
где F - в кГц, R - в кОм, С - в мкФ.
Частота генерации мультивибратора на КМОП- логических элементах может быть задана не только RC-цепью, но и LC-контуром. На рисунке 10 приводится схема мультивибратора на одном логическом элементе, в котором частота задается контуром LC. LC-цепь сдвигает фазу сигнала с выхода элемента на 180°, в результате чего происходит самовозбуждение.
Достоинство такого мультивибратора в высокой стабильности частоты, которая не зависит от напряжения питания. Такие мультивибраторы хорошо работают на повышенных частотах, и отличаются высокой термостабильностью.
Частоту можно определить по такой формуле: F = 1/(2 π √LC).
Для устойчивой генерации необходимо чтобы волновое сопротивление LC-контура было не ниже 2 кОм. Волновое сопротивление можно определить по формуле: р = √lC.



В приборах, где требуется очень высокая точность генерации частоты, применяются генераторы импульсов с кварцевой стабилизацией частоты. Чаще всего встречается схема, показанная на рисунке 11 и 12. Здесь резистор R1 включенный между входом и выходом логического элемента служит для перевода элемента в активное состояние. Сопротивление этого резистора обычно велико, - от единиц, до нескольких десятков мегаом.
Включенный между входом и выходом резонансный элемент - кварцевый резонатор сдвигает фазу сигнала с выхода элемента на 180°, в результате чего происходит самовозбуждение, и начинается генерация, которая происходит на частоте резонанса кварцевого резонатора.
Конденсаторами С1 и С2 (это обычно конденсаторы малой емкости, - единицы -десятки пФ) можно изменять частоту генерации в небольших пределах, слегка смещая частоту резонанса кварцевого резонатoра.
Если генератор никак «не хочет» возбуждаться, можно построить его по схеме, показанной на рисунке 13. Эта схема очень похожа на схему на рис.1, но последовательно с конденсатором С включен кварцевый резонатор. Конденсатор С - конденсатор малой емкости (единицы - десятки пФ), a R - 50-200 кОм.
В некоторых схемах требуется управлять мультивибратором, чтобы он генерировал импульсы не все время, пока подано питание, а только тогда, когда это нужно, согласно логике работы схемы.
На рисунках 14, 15, 16, 17 показаны варианты управления для схем мультивибраторов на ИМС К561ЛЕ5 и К561ЛА7.




В схеме на рис.14 при подаче логической единицы на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логическая единица.
В схеме на рис. 15. при подаче логической единицы на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логический ноль.
Совсем наоборот работают схемы на рис.16 и 17. Здесь чтобы прекратить генерацию нужно подать логический ноль, а не единицу.
В схеме на рис.16 при подаче логического нуля на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе
устанавливается логический ноль.
В схеме на рис. 17. при подаче логического нуля на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логическая единица.
Вообще, чтобы прекратить работу любого мультивибратора на логических элементах нужно один (или единственный) логический элемент его схемы зафиксировать в состоянии, когда уровень на его выходе не меняется от изменения уровня на его других входах. Например, на рисунке 14 подаем единицу на один из входов элемента D1.1. Но это элемент «2ИЛИ-НЕ», значит «главный» уровень для него единица. Теперь он зафиксирован в положении с нулем на выходе. А это приводит к остановке генерации.
Для закрепления материала можно сделать игрушку, схема которой показана на рисунке 18.

Это «мигалка - пищалка», -регулируя два переменных резистора можно регулировать тон пищания и характер прерывания пищания - мигания (соотношение пауз и работы).
Схема состоит из двух мультивибраторов, один выполнен на элементах D1.1 и D1.2, он генерирует импульсы частотой около 1 Гц, а резистором R2 можно регулировать соотношение продолжительности «единичной» и «нулевой» полуволн. Увидеть это соотношение можно по миганию светодиода HL1 (продолжительность свечения регулируется от 0,1 секунды до 0,9 секунды, соответственно, в обратном порядке, регулируется длина пауз в свечении светодиода).
На мультивибраторе на элементах D1.3 и D1.4 выполнен генератор импульсов звуковой частоты. Звук воспроизводится динамиком В1, а тон звука можно регулировать резистором R8. Пока горит светодиод звучит и динамик.
Динамик В1 - любой миниатюрный динамик, например, от карманного радиоприемника.
Собрать игрушку можно на печатной плате, показанной на рис.19.

РК 05-2015

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Счетчик тИЦ и PR