MULTIVIBRATORI

I multivibratori sono dei circuiti a reazione positiva che possono assumere solo due stati (livello alto di tensione e livello basso di tensione). Si distinguono in:

1. Bistabili - detti anche flip-flop sono caratterizzati da due stati stabili in cui possono permanere indefinitamente; il passaggio da uno stato all'altro avviene quando al circuito è applicato un impulso di comando (impulso di Trigger). Sono impiegati per generare forme d'onda impulsive e come circuiti di memoria.

2. Monostabili - caratterizzati da uno stato stabile e uno quasi stabile. A seguito di un impulso di comando (impulso di Trigger) il multivibratore passa dallo stato stabile allo stato quasi stabile, in cui permane per un intervallo di tempo determinato dai valori dei parametri del circuito, e quindi torna allo stato stabile. Sono impiegati per generare impulsi rettangolari di durata determinata.

3. Astabili - caratterizzati da due stati, fra i quali il circuito oscilla automaticamente, con frequenza determinata dai valori dei parametri del circuito, senza intervento di impulsi di comando esterni. Sono impiegati per generare impulsi di clock e segnali periodici.

GENERATORE DI ONDA QUADRA

Si ottiene un generatore di onda quadra (multivibratore astabile) collegando all'uscita del trigger di Schmitt un ramo di temporizzazione RC e applicando la tensione del condensatore all'ingresso invertente del comparatore.

Supponiamo inizialmente che l'uscita sia alta, cioè v₀ = V⁺_sat. Il condensatore si carica tendendo a V⁺_sat, con costante di tempo = RC. Quando v_c salendo raggiunge la tensione di soglia superiore del trigger V_s1 = β V⁺_sat , il trigger commuta portando l'uscita al livello basso V^-_sat. Il condensatore tende ad invertire la polarità della sua tensione tendendo a    V^-_sat con costante di tempo invariata; giunto al valore di tensione pari alla soglia inferiore V_s2 = β V^-_sat commuta portandosi al valore alto e così di seguito ciclicamente.

Vediamo l'andamento della tensione sul condensatore v_c e della tensione di uscita v₀:

v_c

V_s1

V_s

v₀

V⁺_sat

V^-_sat

T₁    T₂

Le tensioni di soglia valgono:

L'equazione generale di carica di una capacità C, con costante di tempo τ=RC, è:

Dopo un tempo T₂ si avrà:

quindi

quindi

Per simmetria T₁=T₂

Quindi:

Se si vogliono ottenere dei livelli di uscita inferiori a quelli imposti dall'operazionale si usano due zener:

Per regolare il duty cicle si usa:

la presenza dei diodi rende la costante di carica distinta da quella di scarica, regolando i potenziometri si può agire sul duty cicle; se si vuole mantenere costante la frequenza, una resistenza deve aumentare della stessa quantità di cui l'altra diminuire. Per operare a frequenza costante è conveniente:

GENERATRE DI RAMPA

vc

La tecnica più usata consiste nell'imporre ad un condensatore una carica a corrente costante; si ha:

I

					t

Per generare un segnale a rampa si usa l'integratore ad operazionale a cui si impone una tensione di ingresso a gradino:

Inizialmente l'operazionale lavora in zona lineare (amplificatore) e la v- = v+ (massa virtuale). In R scorre una corrente costante che va a caricare il condensatore C. Così . Poiché , l'uscita cala linearmente . Una volta raggiunto V^-_sat, v₀ si mantiene costante, l'operazionale non è più in zona lineare, non c'è più la condizione di massa virtuale, cioè v- ≠ v+, C continua la sua carica esponenzialmente con costante di tempo RC e v- sale esponenzialmente a E. Per avere un segnale a rampa si interrompe la carica del condensatore prima che arrivi a V^-_sat, solitamente tramite una chiusura di un interruttore elettronico posto in parallelo a C. In questo modo C si scarica velocemente e v₀ riparte da zero.

			t

					t
		T

Una successione di rampe crea una forma d'onda detta a dente di sega, questo segnale è usato per lo spostamento orizzontale del fascio elettronico nei tubi catodici (oscilloscopi e ricevitori TV).

GENERATORE D'ONDA TRIANGOLARE

Si usa un circuito con un integratore alimentato da un comparatore (trigger di Schmitt non invertente):

V'0

V0

Supponiamo l'uscita v'₀ del trigger inizialmente alta (V+_sat), il condensatore si carica a corrente costante e l'uscita v₀ dell'integratore scende secondo la relazione , quando v₀ arriva alla soglia inferiore del trigger di Schmitt, l'uscita v'₀ commuta al livello basso V-_sat . La corrente I inverte il suo verso e la rampa v₀ cambia verso . Quando la tensione salendo arriva alla soglia superiore del trigger , si ha una nuova commutazione v'₀ va al livello alto e v₀ scende ecc.. Per i valori di commutazione, si ha:

V+sat

V0MAX

t

t

V-sat

V0min

Vi sono dei limiti di frequenza sia inferiori che superiori imposti dagli operazionali presenti nel circuito.

Monostabile con operazionale

Uno schema è il seguente:

è derivato dall'astabile, la presenza di D1 impedisce a C1 di caricarsi ad una tensione superiore a V_D e quindi dimensionato il circuito in modo che V_s1 > V_D  l'uscita con V₀ = V_sat+ è stabile. Per avere commutazione ed avere in uscita V_0L si deve applicare all'ingresso non invertente dell'operazionale una tensione minore della V_D di D1; anziché applicare direttamente l'impulso si usa un derivatore formato da R4C2 ottenendo polarità negativa durante il fronte di discesa di v_i . Il D2 elimina gli impulsi positivi del derivatore. Una volta commutato a V_sat- tramite l'impulso di trigger v_i , C1 si carica negativamente e raggiunge V_s2 , l'amplificatore operazionale commuta al livello stabile V_sat+ . Prima di applicare un nuovo impulso si deve aspettare che il condensatore si ricarichi a V_D ( altrimenti l'uscita V_sat- avrebbe durata diversa). Per ridurre il tempo di carica che riduce la frequenza max degli impulsi di ingresso, si può applicare R5D3; se R5<<R3 accellera la carica.

La durata dell'impulso di uscita è ricavabile calcolando il tempo che impiega C1 per passare da V_D  a V_s2 . Fissate le condizioni limite V_0fin = V_sat- , V_0in=V_D e sapendo che la commutazione si ha per v_c= V_s2 si ha:

ricordando che:

si ha:

con ,si può limitare l'ampiezza dell'uscita con degli zener.

Il temporizzatore integrato 555

E' stato progettato per essere usato come temporizzatore (monostabile) o generatore d'onda quadra (astabile). Essendo di facile e svariato impiego è il più usato fra gli integrati del suo tipo. L'alimentazione è e si applica al terminale 8, mentre il terminale 1 è a massa. Ha due ingressi: il terminale 2 (trigger) e il terminale 6 (soglia); l'uscita è al terminale 3; il terminale 7 (scarica) è collegato internamente a un BJT che lavora come interruttore e lo collega a massa (ON) o lo lascia fluttuante (OFF). Vedremo poi il funzionamento del terminale 4 (reset) e del terminale 5 (tensione di controllo).

Funzionamento:

S v₂ all'ingresso di trigger (2) è e v₆ all'ingresso di soglia è , l'uscita 3 è allo stato alto e il BJT è interdetto (OFF). Se e l'uscita è bassa (0V) e il BJT va ON. Se e non succede nulla e si rimane nella condizione precedente. Se e è una condizione da evitare perché varia il comportamento del 555 a seconda del costruttore. Si attiva il trigger portandolo con soglia inattiva (); si attiva la soglia portandola con trigger inattivo ().

L'uscita può erogare o assorbire una corrente di 200 mA, la tensione alta vale (Vcc-0,5V) e quella bassa (0,1V). Un partitore di tensione con resistenze da 5 Kohm fornisce ai comparatori le tensioni di riferimento, se v₂ (trigger) è , il comparatore 2 ha uscita alta che attiva il set del FF. va bassa e interdice il BJT e porta il buffer invertente ad uscita alta.

Quando si attiva il reset, va alto porta il BJT in ON e abbassa l'uscita del buffer. Il piedino 4 (reset), se basso (<0,4V) azzera il timer portando l'uscita 3 bassa e il BJT in conduzione. Il 5 (tensione di controllo) è collegato al partitore ed è usato per variare dall'esterno la tensione sul partitore, cioè i riferimenti del comparatore. Se non usato va messo a terra attraverso un condensatore da 10nF.

Tavola della verità del Flip-Flop

Tavola della verità del temporizzatore 555

Schema del temporizzatore integrato 555

Il temporizzatore integrato 555 come astabile (generatore d'onda quadra)

All'accensione il condensatore C è scarico (v_c=0). La tensione del trigger e della soglia sono , l'uscita è alta e il BJT è in OFF; il condensatore si carica tendendo a Vcc con , quando arriva a attiva la soglia che porta il BJT ON e l'uscita bassa; C si scarica su R_B e sul BJT con costante di tempo (più breve di prima). Quando v_c scende, arriva a , attiva il trigger e si torna alla condizione iniziale ecc.

Per calcolare periodo e frequenza dell'oscillazione ci si riferisce all'andamento di v_c:

B

v_c

2/3 Vcc

C

A

1/3 Vcc

v₀

Vcc

T₁    T₂

Essendo T1 diverso da T2 l'onda quadra ottenuta non è simmetrica.

Il duty cycle, definito come il rapporto tra il tempo in cui l'uscita è alta e il periodo T, vale:

Per ottenere un'onda quadra approssimativamente simmetrica (D=50%), quindi, bisogna utilizzare un . Si ottiene una buona approssimazione con .

Il temporizzatore integrato 555 come monostabile

Per t<0 ho uno stato stabile con C scarico, il BJT in ON, uscita bassa.

Se così non fosse C si caricherebbe e quando si attiverebbe la soglia con il BJT in conduzione e uscita bassa. Quando t=0, la v_i scende sotto , il trigger si attiva e porta l'uscita alta e il BJT in OFF. Il condensatore si carica tendendo a Vcc con . Quando si attiva la soglia, il transistor va in ON scaricando a massa velocemente il condensatore. Studiando v_c si ricava la durata T dell'impulso.

v_i

1/3 Vcc

B

v_c

2/3 Vcc

1/3 Vcc

				C

v₀

Vcc

T