Цель работы: изучение работы мультивибратора на ЛЭ КМОП и ТТЛ. Организация симметричного и несимметричного режимов работы, изучение переходных процессов в схеме.
Мультивибратор (MB) собран на двух идентичных ЛЭ-инверторах D 1 и D 2 (рис. 5.1), охваченных перекрестными обратными связями. Времязадающими цепями являются элементы R 1 C 1 и R 2 C 2. Такая схема позволяет управлять каждым полупериодом колебаний практически независимо от другого. Схема считается симметричным мультивибратором, если R 1= R 2 и C 1= C 2, и несимметричным, если эти условия не выполняются. В качестве инверторов используются ЛЭ НЕ, И‑НЕ, ИЛИ‑НЕ. Если используются элементы И‑НЕ, то на входы, оставшиеся свободными после организации перекрестных связей, необходимо подать потенциал U 1. Если используются элементы ИЛИ‑НЕ, то на такие входы необходимо подать потенциал U 0. Кроме того, свободные входы могут быть использованы для управления MB (его включением или выключением). Для надежной работы такие схемы должны иметь автомат запуска (схема, обведенная пунктиром
на рис. 5.1).
| 
|
| Рис. 5.1. Схемы мультивибраторов на ЛЭ И-НЕ: с "заземленным" времязадающим резистором (а), резистор присоединен к шине U 1 (б) |
Существуют несколько вариантов схем такого мультивибратора [3], однако для начального обучения приняты два, как наиболее простые для понимания: – в первом (рис. 5.1, а) времязадающие резисторы R 1 и R 2 "заземлены". Во втором (рис.5.1, б) эти резисторы присоединены к потенциалу U 1. В лабораторной работе можно исследовать MB как на ТТЛ-элементах серии K155, так и на КМОП--элементах серии K561.
Рассмотрим работу MB на основе КМОП-элементов по схеме рис.5.1, а. При анализе работы MB условно все процессы можно разделить на медленные и быстрые.
В течение медленного процесса ЛЭ находятся в квази-устойчивом состоянии, например, U вых1 = U 1, U вых2 = U 0 либо
U вых1 = U 0, U вых2 = U 1, и длительность пребывания их в этом состоянии определяется процессами перезарядки конденсаторов С 1 и С 2 через соответствующие резисторы.
В течение быстрого процесса в схеме возникает положительная обратная связь и наблюдается скачкообразный переход ЛЭ из одного квазиустойчивого состояния в другое. Период колебаний MB, в основном, определяется медленными процессами.
Пусть ЛЭ D 1 (рис. 5.1, а) находится в состоянии U вых1= U 0, а ЛЭ D 2 – в состоянии U вых2= U 1. Для обеспечения такого состояния необходимо, чтобы на входе ЛЭ D 2 существовал низкий потенциал U 0 (вход через резистор R2 присоединен к земле), а на входе ЛЭ D 1 – высокий (U 1). Данный высокий потенциал обеспечива-ется протеканием тока через резистор R 1 в процессе перезаря-дки конденсатора C 1 по цепи: шина + E пит – выход ЛЭ D 2 – С 1 – –резистор R 1 – шина нулевого потенциала ("земля") в соответ-ствии с эквивалентной схемой замещения (рис. 5.2, а).
Уменьшение напряжения на входе ЛЭ D 1 происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени t1=(R 1+ r вых 2) C 1. Время нахождения ЛЭ D 1 в данном квазиустойчивом состоянии определяется достижением напряжения U вх1= U * (рис. 5.2, б) и равно 
,
где перепад напряжения D U л= U 1 – U 0.
Если U вх1 = U вх2 = U *, то оба ЛЭ оказываются в области активных характеристик (см. рис.4.2 лаб. раб. № 4), и в схеме возникает глубокая положительная обратная связь, приводящая к скачкообразному процессу и "опрокидыванию" ЛЭ. После чего на выходах ЛЭ D 1 и D 2 устанавливаются потенциалы U вых 1= U 1 и U вых 2= U 0 соответственно. Положительный перепад напряжения с выхода ЛЭ D 1 передается через емкость C 2 на вход ЛЭ D 2 и будет удерживать его в новом квазистатическом состоянии U вх2= U 1, U вых 2= U 0. В цепи шина + E пит – выход ЛЭ D 2 – С 2 – R 2 – шина нулевого потенциала ("земля") возникает ток перезарядки конденсатора C 2, определяющий длительность квазиравновесного состояния ЛЭ D 2 аналогично рассмотренным выше процессам на примере ЛЭ D 1:
.
По окончании времени T 2 в схеме вновь возникает скачкообразное изменение состояния ЛЭ, и все процессы перезарядки конденсаторов C 1 и C 2 повторяются снова. Полный период колебаний мультивибратора без учета быстрых процессов составляет
T = T 1+ T 2.
Предположим, что r вых<< R 1, R 2. Поскольку для ЛЭ КМОП
U *» E пит /2, U 0=0, U 1= E пит, то
.
Полный набор осциллограмм напряжений в характерных точках MB представлены на рис.5.3, а. Изменение длительности полупериодов колебаний осуществляется путем изменения величины резисторов R 1, R 2 (скачком либо плавно) или изменением емкости конденсаторов C 1, C 2 (как правило, скачком). Если T 1 = T 2, то мультивибратор считается симметричным. Если T 1 ¹ T 2, то мультивибратор – несимметричный.
На выходах ЛЭ формируются импульсы напряжения по форме близкие к прямоугольным. При этом длительность положительного фронта импульса определяется процессом заряда емкости C экв ключевым каскадом (см. [4], лаб. раб. № 5). В качестве C экв выступают входная и выходная емкости ЛЭ и емкости монтажа C м, C вх, C вых:
C экв= C вх+ C вых+ C м.
