RU2149502C1

RU2149502C1 - Multivibrator with short trailing edge of square pulses

Info

Publication number: RU2149502C1
Application number: RU99103755/09A
Authority: RU
Inventors: Б.А. Солнцев
Original assignee: Солнцев Борис Александрович
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2000-05-20

Abstract

FIELD: pulse electronics; switches, counters, digital data processing devices. SUBSTANCE: multivibrator has two electronic switches VT1 and VT2 built around transistors of different polarity of conductivity, positive feedback circuit incorporating time-setting capacitors C1 and C2, and two series-connected amplifiers built around transistors VT3 and VT4 of different polarity of conductivity. Voltage dividers built around resistors form amplifier collector loads. Switches function to couple transistor collector of each amplifier with common point of transistor switch collectors. Transistor bases in positive feedback circuit form common output of device relative to center tap of power supply. Trailing edge, just like leading edge, is shaped under effect of positive feedback. EFFECT: provision for shaping square pulses symmetrical to time axis. 4 dwg

Description

Изобретение относится к технике автоматического управления и может быть использовано при разработке электронных импульсных схем для создания переключающих, счетных устройств, устройств временной задержки, а также для обработки двоичной информации в цифровой технике. The invention relates to automatic control technology and can be used in the development of electronic pulse circuits for creating switching, counting devices, time delay devices, as well as for processing binary information in digital technology.

Известны мультивибраторы [1, 2] - формирователи периодически повторяющихся почти прямоугольных импульсов напряжения. На фиг. 1 показана наиболее распространенная (классическая) схема мультивибратора с коллекторно-базовыми связями. Мультивибратор с двумя электронными ключами на транзисторах VT1 и VT2, выходное напряжение каждого из которых подается на вход другого, в результате образуется положительная обратная связь между электронными ключами и двухкаскадная система приобретает способность к возбуждению. Происходит периодический переброс схемы из одного состояния в другое, сопровождаемый быстрым нарастанием тока одного транзистора, и переход этого транзистора в насыщение и одновременный спад тока другого транзистора и переход его в состояние отсечки. Мультивибратор при этом оказывается в одном из двух квазиустойчивых состояний. Длительность нахождения его в этом состоянии определяется времязадающими цепями R_б1C₁ и R_б2C₂
Если, например, в момент t₀ открывается транзистор VT1, а транзистор VT2 закрывается, начинается процесс заряда конденсатора C₂ по цепи +E, открытый эмиттерный переход транзистора VT1, C₂, R_к2, -E до напряжения U_с2 ≈ E с постоянной времени τ_з2 = R_к2C₂
Ток заряда

протекая по коллекторному резистору запертого транзистора, создает падение напряжения U_к2 = i_з2 R_к2. Таким образом, напряжение на запертом транзисторе снижается до значения -E не скачком, а спадает экспоненциально с постоянной времени τ_з2 = R_к2C₂. В процессе функционирования мультивибратора формируется импульс с крутым передним фронтом и растянутым задним, длительность которого значительно превышает длительность переднего, как показано на эпюрах фиг. 2.Multivibrators are known [1, 2] - shapers of periodically repeating almost rectangular voltage pulses. In FIG. Figure 1 shows the most common (classical) multivibrator circuit with collector-base connections. A multivibrator with two electronic keys on transistors VT1 and VT2, the output voltage of each of which is supplied to the input of the other, as a result, a positive feedback is generated between the electronic keys and the two-stage system acquires the ability to excite. There is a periodic transfer of the circuit from one state to another, accompanied by a rapid increase in the current of one transistor, and the transition of this transistor to saturation and a simultaneous decrease in the current of the other transistor and its transition to the cutoff state. In this case, the multivibrator is in one of two quasi-stable states. The duration of his stay in this state is determined by the timing chains R _b1 C ₁ and R _b2 C ₂
If, for example, at the moment t ₀ the transistor VT1 opens and the transistor VT2 closes, the process of charging the capacitor C ₂ along the + E circuit begins, the open emitter transition of the transistor VT1, C ₂ , R _к2 , -E to a voltage U _с2 ≈ E with a constant time τ _s2 = R _k2 C ₂
Charge current

flowing through the collector resistor of a locked transistor, creates a voltage drop U _k2 = i _z2 R _k2 . Thus, the voltage at the locked transistor decreases to the value -E not abruptly, but decreases exponentially with the time constant τ _s2 = R _k2 C ₂ . During operation of the multivibrator, an impulse is formed with a steep leading edge and a stretched trailing edge, the duration of which significantly exceeds the duration of the leading one, as shown in the diagrams of FIG. 2.

Конденсатор С при t > t₀, который был в предыдущий полупериод заряжен до напряжения U_с1 ≈ -E, начинает перезаряжаться, и в тот момент, когда напряжение на нем переходит через ноль, напряжение на базе VT2 оказывается также равно нулю, и он открывается, закрывая по цепи обратной связи транзистор VT1. Как и при закрывании, напряжение на его коллекторе не сразу достигает значения -E, а спадает с постоянной времени τ_з1 = R_к1C₁
Задержка заднего фронта происходит потому, что в отличие от переднего фронта, возникающего под влиянием положительной обратной связи, он представляет собой просто заряд конденсатора с постоянной временит τ = R_кc.
Плохая форма импульса, связанная с пологим задним фронтом, является главным недостатком классических мультивибраторов. Он настолько существенен, что разработаны модификации мультивибраторов. Наиболее известны:
1. Мультивибраторы с отсекающими диодами [3];
2. Мультивибраторы с фиксирующими диодами [3].The capacitor C at t> t ₀ , which was charged in the previous half-cycle to a voltage of U _с1 ≈ -E, starts to recharge, and at the moment when the voltage across it passes through zero, the voltage based on VT2 is also equal to zero, and it opens closing the transistor VT1 through the feedback circuit. As with closing, the voltage at its collector does not immediately reach the value -E, but decreases with the time constant τ _s1 = R _k1 C ₁
The trailing edge is delayed because, in contrast to the leading edge, which arises under the influence of positive feedback, it is simply a capacitor charge with a time constant τ = R _to c.
The poor pulse shape associated with a gentle trailing edge is the main disadvantage of classical multivibrators. It is so significant that modifications of multivibrators are developed. The most famous are:
1. Multivibrators with cut-off diodes [3];
2. Multivibrators with fixing diodes [3].

В первом случае при запирании транзистора времязадающий конденсатор отключается от коллекторного сопротивления в результате закрытия отсекающих диодов, и напряжение на коллекторе скачком уменьшается до -E. Длительность переднего и заднего фронтов здесь практически равны, максимальная скважность меньше, чем в основной схеме [3]. In the first case, when the transistor is turned off, the time-setting capacitor is disconnected from the collector resistance as a result of closing the cut-off diodes, and the collector voltage jumps to -E. The duration of the leading and trailing edges is almost equal, the maximum duty cycle is less than in the main scheme [3].

Во втором случае уменьшение заднего фронта достигается тем, что напряжение питания с помощью дополнительного источника фиксируется на низком уровне. Чем меньше напряжение дополнительного источника, тем меньше длительность заднего фронта. Однако в той же степени снижается амплитуда импульса мультивибратора [3]. In the second case, the reduction of the trailing edge is achieved by the fact that the supply voltage with the help of an additional source is fixed at a low level. The lower the voltage of the auxiliary source, the shorter the duration of the trailing edge. However, the amplitude of the multivibrator pulse decreases to the same extent [3].

В схемах с отсекающими и фиксирующими диодами процесс формирования импульсов не отличается от процессов в основной схеме, поэтому в качестве прототипа выбираем схему мультивибратора с коллекторно-базовыми связями. In circuits with cut-off and fixing diodes, the pulse formation process does not differ from the processes in the main circuit, therefore, as a prototype, we select a multivibrator circuit with collector-base connections.

Задача изобретения - разработка мультивибратора, формирующего импульсы с коротким задним фронтом, не превышающим по длительности передний. The objective of the invention is the development of a multivibrator that generates pulses with a short trailing edge, not exceeding the front of the duration.

Эта задача достигается с помощью схемы мультивибратора с коротким задним фронтом, которая показана на фиг. 3. This task is achieved using a short trailing edge multivibrator circuit, which is shown in FIG. 3.

Мультивибратор с коротким задним фронтом питается от двух источников напряжения E, соединенных последовательно и имеющих заземленную общую точку, относительно которой снимается выходное напряжение. Он образован двумя электронными ключами ab и cd на транзисторах противоположной проводимости VT1 и VT2 с их коллекторными резисторами R_к1 и R_к2, включенными параллельно цепи положительной обратной связи MN. Эта цепь содержит два последовательно соединенных усилителя на транзисторах противоположной проводимости VT3 и VT4, эмиттеры которых соединены и заземлены, базы соединены между собой общей точкой О' соединенных коллекторов VT1 и VT2, образующей выход схемы относительно земли. Общая точка О' соединена с помощью конденсаторов C₁ и C₂ с коллекторами транзисторов VT3 и VT4. Базы основных транзисторов VT1 и VT2 соединены с коллекторными сопротивлениями усилителей так, что база транзистора основной цепи (VT1 или VT2) соединена с тем транзистором цепи положительной обратной связи MN, который имеет противоположный тип проводимости. Для простоты выберем элементы схемы, приведенной на фиг. 3 из условия
R_к1 = R_к2; R₃ = R'₃ +R''₃ = R'₄ + R''₄ = R₄; C₁ = C₂.A multivibrator with a short trailing edge is powered by two voltage sources E, connected in series and having a grounded common point, relative to which the output voltage is removed. It is formed by two electronic switches ab and cd on transistors of opposite conductivity VT1 and VT2 with their collector resistors R _k1 and R _k2 connected in parallel with the positive feedback circuit MN. This circuit contains two series-connected amplifiers on transistors of opposite conductivity VT3 and VT4, the emitters of which are connected and grounded, the bases are interconnected by a common point O 'of connected collectors VT1 and VT2, which forms the output of the circuit relative to the ground. The common point O 'is connected via capacitors C ₁ and C ₂ to the collectors of transistors VT3 and VT4. The base of the main transistors VT1 and VT2 are connected to the collector resistances of the amplifiers so that the base of the transistor of the main circuit (VT1 or VT2) is connected to that transistor of the positive feedback circuit MN, which has the opposite type of conductivity. For simplicity, we will choose the elements of the circuit shown in FIG. 3 of the condition
R _k1 = R _k2 ; R ₃ = R ' ₃ + R'' ₃ = R' ₄ + R '' ₄ = R ₄ ; C ₁ = C ₂ .

Тогда процессы, происходящие ниже средней линии O'O', идентичны процессам верхней части схемы и отличаются только знаками токов и напряжений. Then the processes occurring below the O'O 'midline are identical to the processes of the upper part of the circuit and differ only in the signs of currents and voltages.

При включении питания напряжение в точках О' в первый момент вследствие равенства R_к1 = R_к2 оказывается равно 0. В момент включения t₀ возникают зарядные токи конденсатора C₁, заряжающегося по цепи E, R₃, C₁, О' и конденсатора C₂, заряжающегося по цепи О', C₂, R₄, -E. Зарядные токи, протекая по сопротивлениям R₃ и R₄, создают на базах транзисторов VT1 и VT2 напряжения по отношению к эмиттерам, открывают транзисторы и вводят в активный режим. Вследствие неполной симметрии, технологических факторов и случайных процессов коллекторные токи транзисторов VT1 и VT2 отличаются друг от друга и падения напряжения на резисторах R_к1 и R_к2 не одинаковы, что приводит к отклонению напряжения в точке О' от 0. И тут вступает в действие положительная обратная связь: если напряжение в точке О' оказалось выше 0, напряжение на базах транзисторов VT3 и VT4 тоже выше 0. При этом транзистор VT3 приоткроется и его коллекторный ток увеличит напряжение на базе транзистора VT1 по отношению к эмиттеру (именно для этого нужен активный режим). В то же время ток транзистора VT4 снизится. Ток под действием положительной обратной связи VT1 входит в насыщение, а транзистор VT2 закрывается. На этом действие цепи обратной связи прекращается и вся система оказывается в одном из двух квазиустойчивых состояний, когда один транзистор открыт и насыщен, второй заперт. Если напряжение в точке О' оказалось ниже 0, приоткрывается транзистор VT4, а положительная обратная связь приводит к насыщению транзистора VT2 и появлению отсечки тока у транзистора VT1. Процесс открывания одного транзистора и одновременно закрытие другого происходит лавинообразно, поскольку оба транзистора находятся в активной области и между ними действует положительная обратная связь. На выходе практически мгновенно устанавливается напряжение, незначительно отличающееся от напряжения источника Е.When the power is turned on, the voltage at points O 'at the first moment due to the equality R _k1 = R _k2 turns out to be 0. At the time t _{0 is} turned on, charging currents of the capacitor C ₁ charging on the circuit E, R ₃ , C ₁ , O' and the capacitor C ₂ , charging on the chain O ', C ₂ , R ₄ , -E. Charging currents flowing through the resistances R ₃ and R ₄ create voltage on the bases of transistors VT1 and VT2 with respect to the emitters, open the transistors and enter into active mode. Due to incomplete symmetry, technological factors, and random processes, the collector currents of transistors VT1 and VT2 differ from each other and the voltage drops across the resistors R _k1 and R _{k2 are} not the same, which leads to a voltage deviation at point O 'from 0. And then the positive feedback: if the voltage at point O 'turned out to be higher than 0, the voltage at the bases of transistors VT3 and VT4 is also higher than 0. At the same time, transistor VT3 will open slightly and its collector current will increase the voltage at the base of transistor VT1 with respect to the emitter (for this need active mode). At the same time, the current of the transistor VT4 will decrease. The current under the influence of positive feedback VT1 enters the saturation, and the transistor VT2 closes. On this, the action of the feedback circuit ceases and the entire system is in one of two quasi-stable states, when one transistor is open and saturated, the second is locked. If the voltage at the point O 'turned out to be below 0, the transistor VT4 opens, and the positive feedback leads to the saturation of the transistor VT2 and the appearance of a cutoff current at the transistor VT1. The process of opening one transistor and simultaneously closing the other occurs in an avalanche-like manner, since both transistors are in the active region and positive feedback acts between them. The output almost instantly sets the voltage, slightly different from the voltage of the source E.

Открытое состояние транзистора VT1 (VT2) поддерживается падением напряжения на части коллекторной нагрузки VT3 (VT4), а ток транзисторов VT3 и VT4 в свою очередь обеспечивается напряжением на коллекторах основных транзисторов VT1 или VT2. Закрытое состояние другого транзистора обеспечивается нулевым напряжением на его базе при закрытом транзисторе VT3 (или VT4). Изменение режима транзисторов, приводящее к смене состояний, происходит в результате того, что конденсаторы C₁ и C₂, заряженные в первый момент работы схемы до напряжений U_с1о и U_с2о и сохранившие эти напряжения в процессе лавинного преобразования, в дальнейшем будут изменять свое состояние.The open state of the transistor VT1 (VT2) is supported by a voltage drop on the part of the collector load VT3 (VT4), and the current of the transistors VT3 and VT4, in turn, is provided by the voltage on the collectors of the main transistors VT1 or VT2. The closed state of the other transistor is provided by zero voltage at its base when the transistor VT3 (or VT4) is closed. The change in the mode of transistors, leading to a change of state, occurs as a result of the fact that the capacitors C ₁ and C ₂ charged at the first moment of the circuit to voltages U _с1о and U _с2о and retaining these voltages during the avalanche conversion will subsequently change their state .

После открывания транзистора VT1 зарядным током конденсатора C₁ и последующего отпирания транзистора VT3 конденсатор C₁ будет заряжаться уже по другому пути E, R_к2 , C₁, открытый транзистор VT3, 0. Но при смене направления заряда направление тока в резисторе R₃ не изменится и транзистор VT1 остается открытым.After opening the transistor VT1 with the charging current of the capacitor C ₁ and then unlocking the transistor VT3, the capacitor C ₁ will be charged in a different way E, R _к2 , C ₁ , the open transistor VT3, 0. But when the charge direction changes, the current direction in the resistor R ₃ will not change and the transistor VT1 remains open.

В то же время отрицательное напряжение на конденсаторе C₂ при закрытии транзистора VT2 в момент t₀, а следовательно и VT4, складывается с отрицательным напряжением источника и их сумма оказывается меньше -Е. Конденсатор C₂ будет перезаряжаться, стремясь изменить свой заряд на противоположный.At the same time, the negative voltage on the capacitor C ₂ when the transistor VT2 is closed at time t ₀ , and therefore VT4, is added to the negative voltage of the source and their sum is less than -E. The capacitor C ₂ will recharge, trying to change its charge to the opposite.

Но в тот момент, когда напряжение на нем проходит нулевое значение, а напряжение на базе станет чуть меньше напряжения источника - E, транзистор VT2 откроется и вызовет запирание транзистора VT1 - мультивибратор перешел в другое квазиустойчивое состояние. But at the moment when the voltage across it passes the zero value, and the voltage at the base becomes slightly less than the source voltage - E, the transistor VT2 opens and causes the transistor VT1 to turn off - the multivibrator has switched to another quasi-stable state.

Теперь напряжение в точке О' отрицательное и незначительно отличается от отрицательного напряжения источника на величину коллекторного напряжения насыщения транзистора VT2. Далее, после запирания транзисторов VT1 и VT3 напряжение в точке М подскочит на величину, близкую к E, а напряжение на конденсаторе C₁, сохранившем свой заряд, окажется выше напряжения источника + Е. Начинается перезаряд конденсатора C₁ и после прохождения точки U_c = 0 транзистор VT1 снова открывается.Now the voltage at the point O 'is negative and differs slightly from the negative voltage of the source by the value of the collector saturation voltage of the transistor VT2. Further, after the transistors VT1 and VT3 are turned off, the voltage at point M will jump by an amount close to E, and the voltage on the capacitor C ₁ , which has retained its charge, will be higher than the voltage of the source + E. Recharging of the capacitor C ₁ begins and after passing the point U _c = 0 transistor VT1 opens again.

Процессы в схеме иллюстрируются эпюрами фиг.4. The processes in the diagram are illustrated by diagrams of figure 4.

Источники информации
1. Каганов И.Л. Промышленная электроника. -М.: Высшая школа, 1983, 558 с.Sources of information
1. Kaganov I.L. Industrial electronics. -M .: Higher school, 1983, 558 p.

2. Исаков Ю.А. Промышленная электроника. -Киев: Вища школа, 1975, 328 с. 2. Isakov Yu.A. Industrial electronics. -Kiev: Vishcha school, 1975, 328 p.

3. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М. : Энергия, 1977, 672 с. 3. Stepanenko I.P. Fundamentals of the theory of transistors and transistor circuits. - M.: Energy, 1977, 672 p.

Claims

A multivibrator with a short trailing edge of rectangular pulses, formed by two electronic keys and a positive feedback circuit containing time-varying capacitors, characterized in that the power supply has a midpoint output, electronic key transistors have different types of conductivity, the positive feedback circuit contains two series-connected amplifiers on transistors of different types of conductivity, the emitters of which are connected to the midpoint of the power source, and p are included in the collector circuits non-resistor voltage dividers forming the collector loads of the amplifiers, a part of which is connected between the poles of the power supply and the midpoint of the dividers with the input of the transistor so that the conductivity type of the transistor of the key is opposite to the type of conductivity of the amplifier transistor, time-varying capacitors connecting the collector of the transistor of each amplifier with a common point connecting the collectors key transistors, the base of the transistors of the positive feedback circuit form the overall output of the device with respect to the average power source ke