Multivibratore astabile e bistabile: 7 fatti che dovresti sapere

In questo articolo studieremo in dettaglio i circuiti del comparatore di trigger e dell'oscillatore di Schmitt con diversi parametri correlati. Come abbiamo visto finora, un amplificatore operazionale viene utilizzato in vari campi di applicazione ed essendo un dispositivo così versatile la sua importanza come parte di circuiti analogici è immensa. Una delle applicazioni più convenienti dell'amplificatore operazionale è come circuito multivibratore. Studieremo dentro dettagli su tipologie e funzionamento del circuito multivibratore costruito utilizzando amplificatori operazionali (multivibratori operazionali) e altri dispositivi passivi come condensatori, diodi, resistori ecc.

Contenuti

• Introduzione di multivibratori
• Utilizzo del feedback positivo nel multivibratore
• Cos'è il trigger di Schmitt?
• Comparatore di trigger di Schmitt a circuito chiuso o multivibratore bistabile
• Caratteristiche di trasferimento di tensione del multivibratore bistabile
• Multivibratore astabile o oscillatore trigger di Schmitt
• Ciclo di lavoro dell'oscillatore

Introduzione del multivibratore e dei circuiti trigger di Schmitt

I circuiti multivibratori sono logica sequenziale circuiti e sono di molti tipi a seconda di come vengono creati. Alcuni multivibratori possono essere realizzati utilizzando transistor e porte logiche, mentre ci sono anche chip dedicati disponibili come multivibratori come il timer NE555. Il circuito multivibratore op-amp presenta alcuni vantaggi rispetto ad altri circuiti multivibratore in quanto richiedono molti meno componenti per il loro funzionamento, meno polarizzazione e produce segnali d'onda rettangolari simmetrici migliori utilizzando relativamente meno componenti.

Tipi di multivibratori

Sono presenti principalmente tre tipi di circuiti multivibratori:

1. Multivibratore astabile,
2. multivibratore monostabile
3. Multivibratore bistabile.

Il multivibratore monostabile ha un singolo stato stabile, mentre il numero di stati stabili di un multivibratore bistabile è 2.

Come abbiamo appreso nella sezione precedente sull'amplificatore operazionale come comparatore, nella configurazione ad anello aperto il comparatore può commutare in modo fuori controllo tra la tensione del rail di alimentazione a saturazione positiva e la tensione del rail di alimentazione a saturazione negativa quando una tensione di ingresso si avvicina a quello della tensione di riferimento viene applicata. Quindi, per avere il controllo su questa commutazione incontrollabile tra i due stati, l'amplificatore operazionale viene utilizzato in una configurazione di feedback (circuito ad anello chiuso) che è particolarmente noto come circuito trigger di Schmitt ad anello chiuso o multivibratore bistabile.

Utilizzo del feedback positivo nel multivibratore e effetto isteresi

Fino ad ora, abbiamo imparato a conoscere la configurazione del feedback negativo negli amplificatori operazionali nelle sezioni precedenti. Esiste anche un altro tipo di configurazione del feedback noto come feedback positivo, che viene utilizzato anche per applicazioni specifiche. Nella configurazione con feedback positivo, la tensione di uscita viene ricondotta (collegata) al terminale di ingresso non invertente (positivo) a differenza del feedback negativo, dove la tensione di uscita era collegata al terminale di ingresso invertente (negativo).

Un amplificatore operazionale operante in una configurazione di feedback positivo tende a rimanere in quel particolare stato di uscita in cui è presente, ovvero lo stato saturo positivo o saturo negativo. Tecnicamente, questo comportamento di blocco in uno dei due stati è noto come isteresi.

Se il segnale applicato in ingresso nel comparatore è costituito da alcune armoniche aggiuntive o picchi (rumore), l'uscita del comparatore potrebbe passare ai due stati saturi in modo inaspettato e incontrollabile. In questo caso, non otterremo un'uscita a onda quadra simmetrica regolare della forma d'onda sinusoidale di ingresso applicata.

Ma se aggiungiamo un feedback positivo al segnale di ingresso del comparatore, cioè utilizziamo il comparatore in una configurazione di feedback positivo; introdurremo un comportamento di blocco negli stati, quello che tecnicamente chiamiamo isteresi nell'uscita. Fino a quando ea meno che non vi sia un cambiamento importante nell'ampiezza del segnale di tensione CA (sinusoidale) in ingresso, l'effetto di isteresi continuerà a far sì che l'uscita del circuito rimanga nel suo stato attuale.

Cos'è il trigger di Schmitt?

I Trigger di Schmitt o il multivibratore bistabile opera in configurazione a retroazione positiva con un guadagno di anello maggiore dell'unità per funzionare come modalità bistabile. Voltaggio V₊ può essere.

La figura sopra rappresenta la tensione di uscita rispetto alla curva della tensione di ingresso (nota anche come caratteristiche di trasferimento della tensione), mostrando in particolare l'effetto di isteresi. La curva caratteristica di trasferimento ha due regioni specifiche, la curva all'aumentare della tensione di ingresso e la parte della curva in cui la tensione di ingresso diminuisce. La tensione V₊ non ha un valore costante, ma è invece funzione della tensione di uscita V₀.

Caratteristiche di trasferimento di tensione

Nelle caratteristiche di trasferimento della tensione, V_o = V_Ho in stato alto. Poi,

Tensione di crossover più alta V_TH

Se il segnale è inferiore a quello di V₊, l'uscita rimane al suo stato alto. La tensione di cross-over V_TH si verifica quando V_i = V₊ ed espresso come segue:

Quando V_i > V_TH, la tensione al terminale invertente è maggiore che al terminale non invertente. Voltaggio V₊ poi risulta essere

Tensione di cross-over inferiore V_TL

Dal momento che V_L <V_H la tensione di ingresso V_i è ancora più di V₊e l'uscita rimane nel suo stato basso come V_i continuare ad aumentare; Se V_i diminuisce fintanto che la tensione di ingresso V_i è maggiore di V₊, l'uscita rimane allo stato di saturazione. La tensione di cross-over qui e ora si verifica quando V_i = V₊ e questo V_TL espresso come

Come V_i continua a diminuire, rimane inferiore a V₊; quindi, V₀ rimane nel suo stato elevato. Possiamo osservare questa caratteristica di trasferimento nella figura sopra. Un effetto di isteresi è mostrato nel diagramma delle caratteristiche del trasferimento netto.

Cos'è l'oscillatore trigger di Schmitt?

Multivibratore astabile o oscillatore trigger di Schmitt

Multivibratore astabile ottenuto fissando una rete RC al circuito trigger di Schmitt in feedback. Man mano che avanzeremo nella sezione, vedremo che il circuito non ha stati stabili e quindi è noto anche come circuito multivibratore astabile.

Come notato in figura, una rete RC è impostata nel percorso di feedback negativo, e il terminale di ingresso invertente è collegato a terra attraverso il condensatore mentre il terminale non invertente è collegato alla giunzione tra i resistori R₁ e R₂ come mostrato in figura.

All'inizio, R₁ e R₂ deve essere uguale a R, e supponiamo che l'uscita commuti simmetricamente intorno a zero volt, con l'uscita ad alta saturazione rappresentata da V_H = V_P e l'uscita a bassa saturazione indicata da V_L = -V_P. Se V₀ è basso o V₀ = -V_P, poi V₊ = - (1/2) V_P.

Quando V_x scende appena leggermente al di sotto di V₊, l'uscita passa ad alto in modo che V₀ = + V_P e V₊ = + (1/2) V_P. L'equazione per il voltaggio attraverso il condensatore in una rete RC può essere espresso come:

Dove τ_x è la costante di tempo che può essere definita come τ_x= R_xC_x. La tensione V_x aumenta verso una tensione finale V_P in maniera esponenziale rispetto al tempo. Tuttavia, quando V_x risultano essere leggermente maggiori di V₊ = + (1/2) V_P, l'uscita passa al suo stato basso di V₀ = -V_P e V_x = - (1/2) V_P. La R_xC_x la rete viene innescata da una brusca transizione negativa delle tensioni, e quindi, il condensatore C_x iniziare a scaricare e la tensione V_x decrescente verso il valore di –V_P. Possiamo quindi esprimere V_x as

Dove t1 si riferisce all'istante di tempo in cui l'uscita del circuito passa al suo minimo stato. Il condensatore scarica esponenzialmente V₊ = - (1/2) V_P, l'uscita torna ad essere alta. Il processo si ripete continuamente nel tempo, il che significa che un segnale di uscita ad onda quadra viene prodotto dalle oscillazioni di questo circuito di feedback positivo. La figura seguente mostra la tensione di uscita V₀ e la tensione del condensatore V_x rispetto al tempo.

Tempo t₁ può essere trovato sostituendo t = t₁ e V_x = V_P/ 2 nell'equazione generale per la tensione ai capi del condensatore.

Dall'equazione precedente quando risolviamo per t₁, noi abbiamo

Per il tempo t₂ (come osservato nella figura sopra), ci avviciniamo in modo simile e, da un'analisi simile utilizzando l'equazione di cui sopra, è evidente che la differenza tra t₂ e T₁ è anche 1.1R_xC_x. Da ciò possiamo dedurre che il periodo di tempo di oscillazione T può essere definito come T = 2.2 R_xC_x

E la frequenza quindi può essere espressa come  

Ciclo di lavoro dell'oscillatore

La percentuale di tempo in cui la tensione di uscita (V₀) del multi-vibratore è nel suo stato alto è particolarmente definito come il ciclo di lavoro dell'oscillatore.

Il ciclo di lavoro dell'oscillatore è           

Come osservato nella figura, raffigurante la tensione di uscita e la tensione del condensatore rispetto al tempo, il ciclo di lavoro è del 50%.

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