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 V_STAGE1 каскада 1 пересекает пороговое значение, дополнительный каскад 2 инжектирует дополнительный заряд через конденсатор обратной связи C_H, вследствие чего напряжение на времязадающем конденсаторе C_T 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:

C_T – емкость времязадающего конденсатора,
C_H – емкость гистерезисного конденсатора,
V_THR – пороговое напряжение инвертора,
V_LOW – низкий уровень выходного напряжения инвертора,
V_HIGH – высокий уровень выходного напряжения инвертора.

Величину гистерезиса V_HYST можно рассматривать как результат действия емкостного делителя напряжения, образованного времязадающим конденсатором C_T и конденсатором гистерезиса C_H. Когда каскад 1 переключает каскад 2, его выходной логический уровень переходит с высокого на низкий или с низкого на высокий, изменяясь на величину V_HIGH – V_LOW, 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(C_T + C_H), а напряжение на времязадающем конденсаторе равно или

или

в зависимости от того, в каком полупериоде это происходит. Время от V_THR + V_HYST обратно до V_THR вычисляется как

Для другого полупериода

К общему периоду следует прибавить суммарную задержку распространения (t_PLH + t_PHL) 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 C_T и C_H 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

t_RISE2 – время нарастания,
t_FALL2 – время спада,
R_O – выходное сопротивление инвертора, которое для микросхемы 74VHC04 равно 30 Ом,
t_O – 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

Сопротивление (кОм) Времязадающая емкость (пФ) Емкость конденсатора гистерезиса (пФ) Ожидаемые результаты Измеренные результаты Общая разница времени (%) Напряжение гистерезиса (В) Общий период (нс) Напряжение гистерезиса (В) Общий период (нс) 10 470 100 0.88 3462 0.75 2930 18 10 470 220 1.59 6850 1.8 7340 17 10 12,000 12,000 2.5 333,526 2.6 364,800 19 0.3 220 220 2.5 221 1.75 240 18 1 12,000 12,000 2.5 34,086 2.5 36,000 15

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.

1. Datasheet onsemi MC74VHC04