МУЛЬТИВИБРАТОР
MULTIVIBRATOR

Изобретение относится к области радиотехники и импульсной техники и может быть использовано в качестве автоколебательного или старт-стопного генератора прямоугольных импульсов.
Известен мультивибратор на основе RS-триггера (А.Л. Ланцов, Л.Н. Зворыкин, И.Ф. Осипов «Цифровые устройства на комплементарных МДП интегральных микросхемах», М., Радио и связь, 1983 г., с. 252, рис. 9.9), содержащий два КМДП или КМОП двухвходовых логических элемента 2ИЛИ-НЕ, два резистора, два конденсатора, два диода, выход первого логического элемента 2ИЛИ-НЕ подключен к первому входу второго логического элемента 2ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к первому входу первого логического элемента 2ИЛИ-НЕ, второй вход которого подключен к точке объединения анода первого диода, первого вывода первого резистора и первого вывода первого конденсатора, второй вывод которого подключен к общей шине, катод первого диода и второй вывод первого резистора объединены и подключены к выходу первого логического элемента 2ИЛИ-НЕ, второй вход второго логического элемента 2ИЛИ-НЕ подключен к точке объединения анода второго диода, первого вывода второго резистора и первого вывода второго конденсатора, второй вывод которого подключен к общей шине. Достоинствами известного устройства являются создание выходных импульсов, близких по форме к идеально прямоугольным импульсам, и высокая нагрузочная способность.
Недостатками известного устройства являются:
- низкое быстродействие (ограничение по максимальной частоте) за счет высокого дифференциального сопротивления разрядных диодов при малых токах (большое время восстановления);
- недостаточная стабильность начальной частоты за счет ненормированного порога переключения логических элементов КМОП или КМДП типа. Порог переключения логических элементов лежит в диапазоне от 1/3 до 2/3 напряжения их питания, что вызывает разброс начальной частоты при изготовлении и требует последующей настройки изменением параметров резисторов или конденсаторов;
- отсутствие старт-стопного режима (т.е. первый полный импульс не возникает немедленно после подачи команды Старт).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является мультивибратор с управляемым смещением (под ред. Т.М. Агаханяна «Расчет импульсных устройств на полупроводниковых приборах», М, Советское радио, 1975 г., с. 244, рис. 6.12), содержащий два биполярных транзистора, шесть резисторов, два конденсатора. Коллектор первого биполярного транзистора через последовательно соединенные первый и второй резисторы подключен к шине питания, а через первый конденсатор подключен к базе второго биполярного транзистора. Эмиттеры первого и второго биполярных транзисторов подключены к общей шине. Коллектор второго биполярного транзистора через последовательно соединенные третий и четвертый резисторы подключен к шине питания, а через второй конденсатор подключен к базе первого биполярного транзистора. База первого биполярного транзистора через пятый резистор подключена к точке объединения третьего и четвертого резисторов, база второго биполярного транзистора через шестой резистор подключена к точке объединения первого и второго резисторов. Данный мультивибратор обеспечивает стабильную (без подстройки) исходную частоту генерации мультивибратора за счет большого и стабильного размаха напряжений на базе в диапазоне от напряжения питания до порога 0,7 В включения транзистора, а также состоит в мягком режиме возбуждения за счет цепи отрицательной обратной связи по напряжению в каждом транзисторном каскаде. Цепь отрицательной обратной связи по напряжению уменьшает входные сопротивления транзисторных ключей по схеме с общим эмиттером и повышает стабильность при воздействии температуры.
Недостатками известного устройства являются:
- ограниченный диапазон в сторону верхних частот за счет большого времени восстановления заряда на конденсаторах через большие сопротивления в цепях коллекторов биполярных транзисторов и за счет съема частоты с (перекрывающихся без зазора противофазных напряжений) коллекторов биполярных транзисторов;
- низкая нагрузочная способность из-за съема сигнала в нагрузку только через большие выходные сопротивления резисторов в коллекторных цепях биполярных транзисторов; а не с транзисторной схемы с общим эмиттером наиболее близкого аналога, обладающей низкой нагрузочной способностью и низким быстродействием;
- отсутствуют выходные импульсы, близкие по форме к идеально прямоугольным, из-за пологих фронтов выходных импульсов на коллекторах биполярных транзисторов, обусловленных зарядом паразитных емкостей переходов биполярных транзисторов через резисторы в цепях коллекторов биполярных транзисторов;
- отсутствие старт-стопного режима (т.е. первый полный импульс не возникает немедленно после подачи команды Старт).
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание мультивибратора с высокой нагрузочной способностью, с выходными противофазными импульсами, близкими по форме к идеально прямоугольным, с возможностью старт-стопного режима, а также с расширенным диапазоном в сторону верхних частот.
Технические результаты, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в повышении нагрузочной способности, в уменьшении погрешности, в расширении функциональных возможностей.
Дополнительный технический результат заключается в расширении диапазона в сторону верхних частот.
Данные технические результаты достигаются тем, что в мультивибраторе, содержащем первый и второй конденсаторы, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, первый и второй биполярные транзисторы, эмиттеры которых соединены с общей шиной, коллектор первого биполярного транзистора соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен через второй резистор с шиной питания и через третий резистор с первым выводом первого конденсатора, коллектор второго биполярного транзистора соединен с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен через пятый резистор с шиной питания и через шестой резистор с первым выводом второго конденсатора, новым является то, что дополнительно введены первый, второй и третий логические элементы, при этом первый и второй логические элементы выполнены в виде логических элементов 2ИЛИ, а третий логический элемент выполнен либо в виде логического элемента 2ИЛИ, либо в виде логического элемента 2Исключающее-ИЛИ, первый вход первого логического элемента соединен либо с шиной питания, либо со вторым входом первого логического элемента и коллектором второго биполярного транзистора, база которого соединена с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с первым входом третьего логического элемента и выходом второго логического элемента, первый вход которого соединен либо с шиной питания, либо со вторым входом второго логического элемента и коллектором первого биполярного транзистора, база которого соединена с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого соединен с выходом первого логического элемента и со вторым входом третьего логического элемента, выход которого является выходом мультивибратора.
Первый, второй, третий логические элементы выполнены на быстродействующих КМОП-микросхемах.
Повышение нагрузочной способности достигается путем съема частоты с суммирующего третьего логического элемента 2ИЛИ, выполненного на быстродействующей КМОП-микросхеме, и подключения его через первый и второй логические элементы 2ИЛИ к первому и второму биполярным транзисторам.
Уменьшение погрешности достигается путем формирования выходных импульсов, близких по форме к идеально прямоугольным, суммирующим третьим логическим элементом 2ИЛИ, выполненным на быстродействующей КМОП-микросхеме, обладающей высокой нагрузочной способностью, высокой скоростью переключения и амплитудой с полным размахом, и подключением третьего логического элемента 2ИЛИ через первый и второй быстродействующие логические элементы 2ИЛИ к первому и второму биполярным транзисторам.
Расширение функциональных возможностей достигается включением первого и второго логических элементов 2ИЛИ с соответствующими связями и возможностью подачи напряжения питания (управляющего сигнала Старт) на первый вход либо первого логического элемента 2ИЛИ, либо второго логического элемента 2ИЛИ, обеспечивая возможность старт-стопного режима с первым полным импульсом.
Применение разнопороговых элементов с разной крутизной фронтов, обеспечиваемое включением первого и второго биполярных транзисторов, образующих транзисторный ключ по схеме с общим эмиттером и обладающего низким порогом и пологим фронтом, а также первого и второго логических элементов, обладающих высоким порогом и крутым фронтом, и последующего суммирования третьим элементом противофазных импульсов с первого и второго логических элементов обеспечивает удвоение генерируемой частоты при неизменных номиналах входящих элементов, что расширяет диапазон в сторону верхних частот (или повышает быстродействие).
На фиг. 1 представлен пример выполнения схемы мультивибратора. На фиг. 2 и фиг. 3 представлены временные диаграммы работы, где:
к1
к2
U, U - напряжения на коллекторах первого и второго биполярных транзисторов соответственно;
б1
б2
U, U - напряжения на базах первого и второго биполярных транзисторов соответственно;
лог12
лог13
лог14
U, U, U - напряжения на выходах первого, второго и третьего логических элементов соответственно;
восст
t - время восстановления напряжения на очередном конденсаторе (первом или втором);
Т - период следования импульсов на выходе третьего логического элемента 2ИЛИ;
τ - пауза в периоде следования импульсов третьего логического элемента, образованная за счет задержек переключения высокопороговых первого и второго логических элементов относительно медленно нарастающих импульсов на коллекторах перового и второго биполярных транзисторов. Медленное нарастание обусловлено постоянной времени Rк⋅Cк, где Rк - суммарный резистор в цепи коллекторов (сумма резисторов первого и второго или четвертого и пятого), Ск - емкости переходов (коллектор-база или коллектор-эмиттер) биполярных транзисторов;
Старт/Стоп - к оманды Старт и Стоп шины управляющего сигнала (шины питания).
Мультивибратор (фиг. 1) содержит первый 1 и второй 2 биполярные транзисторы, первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6, пятый 7 и шестой 8 резисторы, первый 9 и второй 10 конденсаторы, шину питания 11, первый 12, второй 13 и третий 14 логические элементы.
Эмиттеры первого 1 и второго 2 биполярных транзисторов соединены с общей шиной. Коллектор первого биполярного транзистора 1 соединен с первым выводом первого резистора 3, второй вывод которого соединен через второй резистор 4 с шиной питания 11 и через третий резистор 5 с первым выводом первого конденсатора 9. Коллектор второго биполярного транзистора 2 соединен с первым выводом четвертого резистора 6, второй вывод которого соединен через пятый резистор 7 с шиной питания 11 и через шестой резистор 8 с первым выводом второго конденсатора 10. Первый вход первого логического элемента 12 соединен со вторым входом первого логического элемента 12 и коллектором второго биполярного транзистора 2. База второго биполярного транзистора 2 соединена с первым выводом второго конденсатора 10. Второй вывод второго конденсатора 10 соединен с первым входом третьего логического элемента 14 и выходом второго логического элемента 13. Первый вход второго логического элемента 13 соединен со вторым входом второго логического элемента 13 и коллектором первого биполярного транзистора 1. База первого биполярного транзистора 1 соединена с первым выводом первого конденсатора 9. Второй вывод первого конденсатора 9 соединен с выходом первого логического элемента 12 и со вторым входом третьего логического элемента 14. Выход третьего логического элемента 14 является выходом мультивибратора.
Первый 12, второй 13 и третий 14 элементы выполнены в виде логических элементов 2ИЛИ на микросхемах, например, 1564ЛЛ1.
Мультивибратор выполнен с возможностью переключения первого входа первого логического элемента 12 (или второго логического элемента 13) между его вторым входом и шиной питания для обеспечения старт-стопного режима.
Первый 1 и второй 2 биполярные транзисторы могут быть выполнены в виде высокочастотных n-канальных транзисторов типа 2Т368Б, резисторы - в виде прецизионных типа С2-2В, конденсаторы - в виде прецизионных типа К10-17в.
Третий логический элемент 14 может быть выполнен либо в виде логического элемента 2ИЛИ, либо в виде логического элемента 2Исключающее-ИЛИ. Замена третьего логического элемента 2ИЛИ на логический элемент 2Исключающее-ИЛИ не изменяет характер работы устройства, т.е. временные диаграммы и признаки идентичны.
Следует учесть, что изменение порога переключения первого 12 и второго 13 логических элементов 2ИЛИ при изготовлении изменяет величину задержки τ, но генерируемая частота при этом не изменяется.
Мультивибратор работает следующим образом.
пит
пит
пор
пор
пит
пор
пop
3
Рассмотрим работу мультивибратора (фиг. 1) на примере одного из двух квазиустойчивых состояний. Транзистор 1 и связанный с его коллектором логический элемент 13 открыты (на их выходах логический ноль (лог. 0) - уровень, близкий к 0 В). При этом транзистор 2 и логический элемент 12 закрыты (на их выходах логическая единица (лог. 1) - уровень, близкий к напряжению Е на шине питания 11). При этом конденсатор 10, связанный с базой закрытого транзистора 2, заряжается от напряжения -(Е-U) до порогового напряжения транзистора U через коллекторные резисторы 6 и 7. Другой конденсатор 9, связанный с базой открытого транзистора 1, перезаряжается (восстанавливается за минимальное время) от уровня лог. 1 до напряжения +(E-U). Пороговым напряжением Uявляется напряжение отпирания транзистора, равное 0,7 В (см. уровень 0,7 В в момент времени t на фиг. 2).
5
Пороговым напряжением каждого логического элемента 12, 13 и 14 является напряжение 3,1 В (см. уровень 3,1 В в момент времени t на фиг. 2). При достижении напряжением на конденсаторе 10, а, значит, и на базе закрытого транзистора 2, величины 0,7 В транзистор 2 открывается, логический элемент 12 переключается в лог.0, и цикл повторяется. Поочередное переключение транзисторов 1 и 2 формирует импульсы на выходах логических элементов 12 и 13.
к1
к2
лог12
лог13
На выходах коллекторов транзисторов 1 и 2 поочередно формируемые импульсы обладают пологими фронтами и недостаточно высокой амплитудой (см. U, U на фиг. 2), т.е. их форма далека от прямоугольной, но после прохождения через логические элементы 12 и 13, обладающие высокой нагрузочной способностью, высокой скоростью переключения и амплитудой с полным размахом, обеспечивается формирование противофазных выходных импульсов  близких по форме к идеально прямоугольным (см. U, U на фиг. 2). Поочередные прямоугольные импульсы логических элементов 12, 13 суммируются логическим элементом 14 (схема ИЛИ) и далее следуют с удвоенной частотой 2f.
0
1
к1
лог13
1
-1
3
к2
2
вост
3
к2
4
б1
4
лог
В интервале t-t (фиг. 2) медленно снижается до 0 напряжение U на коллекторе транзистора 1 и круто уходит в 0 напряжение U логического элемента 13, связанного транзистором 1. В момент t на фиг. 2 скачок напряжения с логического элемента 13 проходит через емкость конденсатора 9 и вызывает отрицательный скачок напряжения в базе транзистора 2. Величина скачка составляет от 0,7 В до -4,3 В. Транзистор 2 при этом запирается (см. моменты t-t на фиг. 2), образуя пологий фронт напряжения U на коллекторе транзистора 2, которое с задержкой τ достигает порога 3,1 В переключения неинвертирующего логического элемента 12, который переходит в состояние лог. 1 с крутым фронтом. Большим током логического элемента 12 обеспечивается быстрое восстановление заряда на конденсаторе 9 (см. моменты t и t, на фиг. 2). Медленный перезаряд конденсатора 10 в цепи базы транзистора 2 осуществляется по RC-цепи, включающей резисторы 6, 7 и конденсатор 10, вплоть до момента t на фиг. 2 достижения напряжения 0,7 В на базе транзистора 2. После чего напряжение U на коллекторе транзистора 2 уходит в 0. Транзистор 2 насыщается по цепи коллектор-эмиттер. В момент t на фиг. 2 повторяется нулевое напряжение на выходе неинвертирующего логического элемента 12, что через конденсатор 9 передается в виде скачка от 0,7 В до -4,3 В на базу транзистора 1 (см. U в момент t на фиг. 2), а напряжение на коллекторе запертого транзистора 1 медленно повышается с пологим фронтом и по достижении уровня 3,1 В, порога переключения логического элемента 13 с задержкой τ (см. U13 на фиг. 2), срабатывает логический элемент 13. Для формирования задержек срабатывания логических элементов 13, 12 поочередно используются свойства медленного изменения напряжения на коллекторах транзисторов 1, 2 по сравнению с быстрым изменением напряжения логических элементов 12, 13 и разная величина порога включения (0,7 В у транзисторов и 3,1 B y логических элементов 13, 12 при выполнении их на КМОП структурах). Импульсы логических элементов 12 и 13 разнесены друг от друга на временную задержку τ и будучи поданными на входы логического элемента 14, дают суммарную частоту, вдвое превышающую частоту на выходах логических элементов 12 и 13 и соответствующих им транзисторов 2 и 1. Задержки τ могут изменяться в зависимости от порога включения логических элементов 12, 13, но частота на выходе логического элемента 14 при этом стабильна, т.к. определяется стабильным временем перезаряда конденсатора в базе транзистора от напряжения от -4,3 В до 0,7 В.
пит
Кроме того, на выходах неинвертирующих логических элементов 2ИЛИ 12, 13 следуют прямоугольные противофазные импульсы с нормализованной амплитудой Е (в отличие от пологих ненормированных по уровню импульсов на коллекторах транзисторов) и половинной частотой, что свидетельствует о расширении функциональных возможностей.
При работе мультивибратора в старт-стопном режиме один из входов первого логического элемента 12 подключен к шине управляющего сигнала (на фиг. 1 не показана), формирующему команды Старт (лог. 0) и Стоп (лог. 1) (см. фиг. 3).
0
0
б1
1
к1
2
2
В исходном статическом состоянии до момента t Старт (см. фиг. 3) выход логического элемента 2ИЛИ 12 находится в состоянии лог. 1, конденсатор 9 заряжен, т.е. восстановлен полностью, как в автоколебательном режиме по фиг. 2, транзистор 1 открыт и обеспечивает на выходе логического элемента 2ИЛИ 13 уровень лог. 0. При подаче команды Старт в- момент t конденсатор 9 перезаряжается (см. U на фиг. 3) и запирает транзистор 1, как в автоколебательном режиме по фиг. 2. При достижении в момент t напряжением на коллекторе транзистора 1 (см. Uна фиг. 3) порогового уровня 3,1 В срабатывает логический элемент 13 и формирует на выходе первый импульс полной амплитуды и длительности. Далее мультивибратор работает в обычном автоколебательном режиме до момента t (см. фиг. 3) подачи команды Стоп. После подачи команды Стоп в момент t на выходе первого логического элемента возникает уровень лог. 1 и мультивибратор возвращается в исходное состояние, прекращая генерацию выходной частоты.
Повышение нагрузочной способности обеспечено путем съема частоты f и  с логических элементов 12 и 13 с выходными противофазными импульсами, близкими по форме к идеально прямоугольным, за счет использования неинвертирующих логических элементов 12, 13 и элемента 14.
Введение старт-стопного режима обеспечивают за счет подачи условным ключом управляющего импульса Старт на один из входов логических элементов 12 или 13.
Расширение диапазона в сторону верхних частот достигнуто путем удвоения генерируемой частоты при неизменных номиналах входящих элементов за счет использования разнопороговых элементов с разной крутизной фронтов (транзисторов 1 и 2 с низким порогом 0,7 В и пологим фронтом, и мощных КМОП логических элементов 12, 13, обладающих высоким порогом 3,1 В и крутым фронтом) и последующего суммирования логическим элементом 14 импульсов с логических элементов 12, 13.