Astabilní a bistabilní multivibrátor: 7 faktů, které byste měli vědět

V tomto článku budeme podrobně studovat Schmittův spouštěcí komparátor a oscilátorový obvod s různými souvisejícími parametry. Jak jsme doposud viděli, že operační zesilovač se používá v různých oblastech aplikací a jelikož jde o tak všestranné zařízení, jeho význam jako součásti analogových obvodů je obrovský. Jednou z nejpohodlnějších aplikací operačního zesilovače je multivibrační obvod. Budeme studovat v podrobnosti o typech a fungování multivibrátorového obvodu konstruované pomocí operačních zesilovačů (operační zesilovače multivibrátory) a dalších pasivních zařízení, jako jsou kondenzátory, diody, rezistory atd.

Obsah

• Představení multivibrátorů
• Využití pozitivní zpětné vazby v multivibrátoru
• Co je Schmittův spouštěč?
• Schmittův komparátor spouštěcího obvodu s uzavřenou smyčkou nebo bistabilní multivibrátor
• Charakteristiky přenosu napětí bistabilního multivibrátoru
• Astabilní multivibrátor nebo Schmittův spouštěcí oscilátor
• Pracovní cyklus oscilátoru

Představení multivibrátoru a Schmittova spouštěcího obvodu

Multivibrační obvody jsou sekvenční logika obvodů a jsou mnoha typů v závislosti na tom, jak jsou vytvořeny. Některé multivibrátory lze použít tranzistory a logická hradla, zatímco existují i ​​specializované čipy dostupné jako multivibrátory, jako je časovač NE555. Multivibrátorový obvod operačního zesilovače má oproti jiným multivibrátorovým obvodům několik výhod, protože ke své činnosti vyžadují mnohem méně součástek, méně předpětí a vytváří lepší symetrické obdélníkové vlnové signály s použitím poměrně menšího počtu součástek.

Typy multivibrátorů

Existují hlavně tři typy obvodů multivibrátoru:

1. Astabilní multivibrátor,
2. monostabilní multivibrátor
3. Bistabilní multivibrátor.

Monostabilní multivibrátor má jediný stabilní stav, zatímco počet stabilních stavů, které bistabilní multivibrátor má, je 2.

Jak jsme se v předchozí části dozvěděli o operačním zesilovači jako komparátoru, v konfiguraci s otevřenou smyčkou může komparátor přepínat mimo kontrolu mezi pozitivním napětím napájecího napájecího napětí a záporným nasycením napájecího napájecího napětí, když se vstupní napětí blíží k tomu je přivedeno referenční napětí. Proto, aby měl kontrolu nad tímto nekontrolovatelným přepínáním mezi dvěma stavy, se operační zesilovač používá v konfiguraci zpětné vazby (obvod s uzavřenou smyčkou), která je známá zejména jako Schmittův spouštěcí obvod s uzavřenou smyčkou nebo bistabilní multivibrátor.

Využití pozitivní zpětné vazby v multivibrátoru a hysterezní efekt

Doposud jsme se o konfiguraci negativní zpětné vazby v operačních zesilovačích dozvěděli v předchozích částech. Existuje také další typ konfigurace zpětné vazby známý jako pozitivní zpětná vazba, která se také používá pro konkrétní aplikace. V konfiguraci s kladnou zpětnou vazbou je výstupní napětí přiváděno zpět (připojeno) k neinvertující (kladné) vstupní svorce na rozdíl od záporné zpětné vazby, kde bylo výstupní napětí připojeno k invertující (záporné) vstupní svorce.

Operační zesilovač provozovaný v konfiguraci s pozitivní zpětnou vazbou má tendenci zůstat v tomto konkrétním výstupním stavu, ve kterém je přítomen, tj. Buď v nasyceném pozitivním nebo nasyceném negativním stavu. Technicky je toto západkové chování v jednom ze dvou stavů známé jako hystereze.

Pokud vstupní aplikovaný signál v komparátoru sestává z několika dalších harmonických nebo špiček (šumů), pak by se výstup komparátoru mohl neočekávaně a nekontrolovatelně přepnout do dvou nasycených stavů. V tomto případě nedostaneme pravidelný symetrický obdélníkový výstup aplikovaného vstupního sinusového průběhu.

Pokud však ke vstupnímu signálu komparátoru přidáme nějakou kladnou zpětnou vazbu, tj. použijeme komparátor v konfiguraci s kladnou zpětnou vazbou; zavedeme chování při západce ve stavech, čemuž technicky říkáme hystereze do výstupu. Dokud a pokud nedojde k zásadní změně velikosti vstupního střídavého (sinusového) napěťového signálu, hysterezní efekt bude pokračovat, aby výstup obvodu zůstal ve svém aktuálním stavu.

Co je Schmittův spouštěč?

Projekt Schmitt spoušť nebo bistabilní multivibrátor pracuje v konfiguraci s pozitivní zpětnou vazbou se ziskem smyčky větším než jednota, aby fungoval jako bistabilní režim. Napětí V₊ může být.

Výše uvedený obrázek představuje výstupní napětí versus křivka vstupního napětí (která je také známá jako charakteristika přenosu napětí), zejména ukazuje hysterezní účinek. Přenosová charakteristika má dvě specifické oblasti, křivku s rostoucím vstupním napětím a část křivky, ve které se vstupní napětí snižuje. Napětí V₊ nemá konstantní hodnotu, ale místo toho je funkcí výstupního napětí V₀.

Charakteristiky přenosu napětí

V charakteristikách přenosu napětí V_o = V_H, nebo ve vysokém stavu. Pak,

Vyšší křížové napětí V_TH

Pokud je signál menší než signál V₊, výstup zůstane ve svém vysokém stavu. Křížové napětí V_TH nastane, když V_i = V₊ a vyjádřeno takto:

Když V_i > V_TH, napětí na invertující svorce je větší než na neinvertující svorce. Napětí V₊ pak se ukázalo být

Dolní křížové napětí V_TL

Vzhledem k tomu, V_L <V_H vstupní napětí V_i je stále více než V₊a výstup spočívá ve svém nízkém stavu jako V_i pokračovat ve zvyšování; Pokud V_i klesá, pokud je vstupní napětí V_i je větší než V₊, výstup zůstane ve stavu nasycení. Křížové napětí zde a nyní nastane, když V_i = V₊ a toto V_TL vyjádřeno jako

Jako V_i nadále klesá, zůstává menší než V₊; proto, V₀ zůstává ve vysokém stavu. Tuto přenosovou charakteristiku můžeme pozorovat na výše uvedeném obrázku. Efekt hystereze je uveden v diagramu čistého přenosu.

Co je Schmittův spouštěcí oscilátor?

Astabilní multivibrátor nebo Schmittův spouštěcí oscilátor

Astabilní multivibrátor je dosažen připojením RC sítě ke spouštěcímu obvodu Schmitt ve zpětné vazbě. Jak budeme postupovat sekcí, uvidíme, že obvod nemá žádné stabilní stavy, a proto je také známý jako astabilní multivibrátorový obvod.

Jak je vidět na obrázku, RC síť je nastavena na cestu negativní zpětné vazby a invertující vstupní svorka je připojena k zemi přes kondenzátor, zatímco neinvertující svorka je připojena ke křižovatce mezi rezistory R₁ a R₂ jak je znázorněno na obrázku.

Nejprve R.₁ a R₂ se má rovnat R a předpokládejme, že se výstupy symetricky přepínají kolem nulových voltů, přičemž vysoký nasycený výstup představuje V_H = V_P a nízký nasycený výstup označený V_L = -V_P. Pokud V₀ je nízká nebo V₀ = -V_P, pak V₊ = - (1/2) V_P.

Když V_x klesá jen mírně pod V₊, výstup se přepne na vysokou hodnotu, takže V₀ = + V_P a V₊ = + (1/2) V_P. Rovnice pro napětí přes kondenzátor v RC síti lze vyjádřit jako:

Kde τ_x je časová konstanta, kterou lze definovat jakoτ_x= R_xC_x. Napětí V_x se zvyšuje směrem ke konečnému napětí V_P exponenciálním způsobem s ohledem na čas. Když však V_x se ukázalo být o něco větší než V₊ = + (1/2) V_P, výstup se posune do svého nízkého stavu V₀ = -V_P a V_x = - (1/2) V_P. R_xC_x síť je spuštěna negativním ostrým přechodem napětí, a tím i kondenzátoru C_x začněte vybíjet a napětí V_x klesá směrem k hodnotě –V_P. Můžeme tedy vyjádřit V_x as

Kde t1 označuje časový okamžik, kdy je výstup obvodu přepne na nízkou úroveň Stát. Kondenzátor se vybíjí exponenciálně V₊ = - (1/2) V_P, výstup se opět posune na vysokou hodnotu. Proces se v průběhu času kontinuálně opakuje, což znamená, že oscilací tohoto obvodu s pozitivní zpětnou vazbou je produkován výstupní signál ve tvaru obdélníku. Obrázek níže ukazuje výstupní napětí V₀ a napětí kondenzátoru V_x s ohledem na čas.

Čas t₁ lze najít nahrazením t = t₁ a V_x = V_P/ 2 v obecné rovnici pro napětí na kondenzátoru.

Z výše uvedené rovnice, když řešíme pro t₁, dostaneme

Na čas t₂ (jak je vidět na výše uvedeném obrázku), přistupujeme podobným způsobem a z podobné analýzy pomocí výše uvedené rovnice je zřejmé, že rozdíl mezi t₂ at₁ je také 1.1R_xC_x. Z toho můžeme odvodit, že časové období oscilace T lze definovat jako T = 2.2 R_xC_x

A frekvenci lze tedy vyjádřit jako  

Pracovní cyklus oscilátoru

Procento času výstupního napětí (V₀) multivibrátoru je ve svém vysokém stavu, zejména se nazývá pracovní cyklus oscilátoru.

Pracovní cyklus oscilátoru je           

Jak je vidět na obrázku, zobrazující výstupní napětí a napětí kondenzátoru v závislosti na čase, pracovní cyklus je 50%.

Další článek týkající se elektroniky klikněte zde