Существует множество конструкций автоколебательных мультивибраторов на основе логических элементов. Одной из самых простых является инвертор с триггером Шмитта на входе с RC-цепочкой обратной связи (Рисунок 1).Выходной ток заряжает конденсатор до верхнего порога переключения, после чего состояние выхода меняется на противоположное, порог принимает другое значение, и зарядный ток конденсатора меняет направление. Когда напряжение на конденсаторе пересекает нижний порог, выходное и пороговое напряжения возвращаются к исходным значениям, и процесс повторяется. Временные параметры импульсов зависят как от постоянной времени RC, так и от ширины петли гистерезиса, определяемой различием двух пороговых напряжений (Рисунок 2). К сожалению, хотя производители инверторов и указывают напряжения гистерезиса в своих технических документах, разброс этих напряжений довольно велик. Кроме того, они, вероятно, в определенной степени зависят температуры. Эти неопределенности затрудняют разработку схемы с предсказуемой частотой колебаний.
 |
|
| Рисунок 1. | В базовой схеме автоколебательного мультивибратора используют триггер Шмитта и RC-цепь. |
 |
|
| Рисунок 2. | Гистерезис логического элемента в значительной степени определяет пороги переключения. |
Простой инвертор, не имеющий гистерезиса, позволяющего напряжению на конденсаторе превысить номинальный порог, заряжает конденсатор до порогового напряжения, и процесс зарядки останавливается в узкой линейной области инвертора. В этот момент отрицательная обратная связь между инвертирующим выходом и входом делает выходное напряжение равным пороговому. Добавление еще одного инвертирующего каскада посредством положительной обратной связи вводит другой гистерезис, параметры которого определяются внешними пассивными компонентами (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Добавление каскада положительной обратной связи обеспечивает гистерезис каскада на простом инверторе. |
 |
|
| Рисунок 4. | Гистерезис возникает в результате инжекции заряда из каскада 2, при котором напряжение на времязадающем конденсаторе превышает порог переключения на известную фиксированную величину. |
Всякий раз, когда выходное напряжение VSTAGE1 каскада 1 пересекает пороговое значение, дополнительный каскад 2 инжектирует дополнительный заряд через конденсатор обратной связи CH, вследствие чего напряжение на времязадающем конденсаторе CT поднимается выше порогового значения. Зарядный ток RC-цепи меняет направление, чтобы вернуть напряжение на конденсаторе к пороговому уровню, по достижении которого схема инжекции гистерезиса снова подтолкнет напряжение выше целевого значения, так что времязадающая RC-цепь должна опять изменить направление зарядного тока, чтобы вернуться к пороговому напряжению (Рисунок 4). Этот процесс продолжается бесконечно с довольно предсказуемой скоростью. На Рисунке 4 и в последующих формулах использованы следующие обозначения:
CT – емкость времязадающего конденсатора,
CH – емкость гистерезисного конденсатора,
VTHR – пороговое напряжение инвертора,
VLOW – низкий уровень выходного напряжения инвертора,
VHIGH – высокий уровень выходного напряжения инвертора.
Величину гистерезиса VHYST можно рассматривать как результат действия емкостного делителя напряжения, образованного времязадающим конденсатором CT и конденсатором гистерезиса CH. Когда каскад 1 переключает каскад 2, его выходной логический уровень переходит с высокого на низкий или с низкого на высокий, изменяясь на величину VHIGH – VLOW, а напряжение на времязадающем конденсаторе подскакивает на величину
При этом напряжение на времязадающем конденсаторе возвращается к уровню выходного напряжения каскада 1 за счет тока, идущего как через времязадающий, так и через гистерезисный конденсатор.
Таким образом, постоянная времени, определяющая период колебаний, равна R(CT + CH), а напряжение на времязадающем конденсаторе равно или
или
в зависимости от того, в каком полупериоде это происходит. Время от VTHR + VHYST обратно до VTHR вычисляется как
Для другого полупериода
К общему периоду следует прибавить суммарную задержку распространения (tPLH + tPHL) в каскадах 1 и 2. Эти времена задержки распространения являются незначительными, если только не требуется, чтобы схема работала на максимальной частоте. Тогда прогноз периода колебаний зависит только от номиналов пассивных компонентов и их допусков, температуры и коэффициентов старения. Однако последовательная комбинация CT и CH создает емкостную нагрузку для каскада 2. Эта нагрузка влияет на времена нарастания и спада каскада 2, сумму которых нужно добавить к общему периоду T.
В случае КМОП микросхем, таких как 74VHC04, времена нарастания и спада зависят от выходного сопротивления микросхемы, а также от номиналов внешних компонентов. Если за модель выхода каскада 2 принять RC-цепь, времена экспоненциального нарастания и спада между уровнями 10% и 90% можно определить как
где
tRISE2 – время нарастания,
tFALL2 – время спада,
RO – выходное сопротивление инвертора, которое для микросхемы 74VHC04 равно 30 Ом,
tO – время нарастания в отсутствие нагрузки, для 74VHC04 равное 4.5 нс.
Таким образом, общий период равен
Также обратите внимание, что время зависит от выходных напряжений инвертора и положения порогового напряжения относительно границ этого диапазона. Например, поведение КМОП микросхем, выходные логические уровни которых ближе к напряжениям шин питания, более предсказуемо, чем микросхем ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики), а микросхема 74HC с пороговым напряжением в средине напряжения питания имеет более симметричный выход, чем HCT, пороговое напряжение которой смещено для совместимости с ТТЛ.
Для более высоких частот нужно использовать резисторы с меньшими сопротивлениями, времязадающие конденсаторы меньшей емкости, или уменьшать номиналы и того, и другого. Для получения предсказуемых результатов емкость времязадающего конденсатора должна быть не менее чем в 10 раз больше входной емкости инвертора, которая для типичной КМОП микросхемы составляет от 3 до 10 пФ, а сопротивление R не должно быть настолько низким, чтобы значительно нагружать выход. В качестве меры предосторожности емкость гистерезисного конденсатора не должна превышать емкость времязадающего конденсатора, чтобы входное напряжение каскада 1 не превышало максимально допустимого значения. Если бы емкость конденсатора гистерезиса была намного больше, чем емкость времязадающего конденсатора, то пороговое напряжение и напряжение гистерезиса приблизились бы к 7.5 В и –2.5 В, соответственно. Микросхема 74VHC04 при использовании резисторов с допуском 5% и конденсаторов с допуском 20% подтвердила правильность расчетов.
| Таблица 1. | Результаты измерений в схеме с инверторами 74VHC04 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
В Таблице 1 обобщены результаты измерений, которые находятся в пределах допусков номиналов компонентов. Типичные осциллограммы сигналов на входе и выходе показаны на Рисунке 5.
 |
|
| Рисунок 5. | Схема хорошо работает на низких частотах. |
Купить MC74VHC04 на РадиоЛоцман.Цены
