멀티바이브레이터

멀티바이브레이터

멀티바이브레이터는 HIGH와 LOW의 두 가지 개별 상태 사이에서 연속적으로 작동하는 순차 논리 회로입니다.

개별 순차 논리 회로는 멀티바이브레이터, 카운터, 시프트 레지스터, 래치 및 메모리와 같은 보다 복잡한 회로를 구축하는 데 사용할 수 있습니다.

그러나 이러한 유형의 회로가 "순차적" 방식으로 작동하려면 상태를 변경하도록 하는 일종의 클록 펄스 또는 타이밍 신호를 추가해야 합니다. 클록 펄스는 일반적으로 멀티바이브레이터 와 같은 단일 펄스 발생기 회로에 의해 생성되는 연속 정사각형 또는 직사각형 모양의 파형입니다 .

멀티바이브레이터 회로 는 "HIGH" 상태와 "LOW" 상태 사이에서 진동하여 지속적인 출력을 생성합니다. 불안정한 멀티바이브레이터는 일반적으로 듀티 사이클이 50%입니다. 즉, 출력이 사이클 시간의 50%이고 출력이 사이클 시간의 나머지 50%가 "OFF"입니다. 즉, 불안정한 타이밍 펄스의 듀티 사이클은 1:1입니다.

동기화를 위해 클록 신호를 사용하는 순차 논리 회로는 주파수에 따라 달라지며 따라서 스위칭 동작을 활성화하는 클록 펄스 폭도 달라집니다. 순차 회로는 이전에 기본 플립플롭 회로에서 살펴본 것처럼 상승 에지, 하강 에지 또는 클록 신호의 양쪽 에지를 사용하여 스위칭 상태를 변경할 수도 있습니다. 다음 목록은 일반적으로 타이밍 펄스 또는 파형과 관련된 용어입니다.

 

클록 신호 파형

• 활성 HIGH   – 클록의 펄스 상승 에지 또는 클록 폭 동안 상태가 "LOW"에서 "HIGH"로 변경되는 경우.
• 활성 LOW   - 클록 펄스 하강 에지에서 상태 변경이 "HIGH"에서 "LOW"로 발생하는 경우입니다.
• 클록 폭   - 클록 신호 값이 논리 "1" 또는 HIGH와 같은 시간입니다.
• 클록 기간   - 동일한 방향의 연속 전환 사이, 즉 두 개의 상승 에지 또는 두 개의 하강 에지 사이의 시간입니다.
• 듀티 사이클   - 클록 주기에 대한 클록 폭의 비율입니다.
• 클록 주파수   – 클록 주파수는 클록 주기의 역수입니다. 주파수 = 1/클럭 주기입니다. ( f = 1/T )

클록 펄스 생성 회로는 연속적인 일련의 펄스(비안정 멀티바이브레이터라고 함) 또는 특정 기간의 펄스(단안정 멀티바이브레이터라고 함)를 생성하는 아날로그 및 디지털 회로의 조합일 수 있습니다. 두 개 이상의 멀티바이브레이터 회로를 결합하면 원하는 펄스 패턴(펄스 폭, 펄스 간 시간 및 펄스 주파수 포함)을 생성할 수 있습니다.

기본적으로 클록 펄스 생성 회로에는 세 가지 유형이 있습니다.

• Astable  – 안정적인 상태 는 없지만  두 상태 사이를 지속적으로 전환 하는 자유 실행 멀티바이브레이터 입니다. 이 동작은 알려진 고정 주파수에서 일련의 구형파 펄스를 생성합니다.
• 단안정  – 일단 외부에서 트리거되면 첫 번째 안정 상태로 되돌아가기 때문에 단 하나 의 안정 상태만  갖는 원샷 멀티바이브레이터입니다 .
• 쌍안정  - 값이 HIGH 또는 LOW인 단일 펄스를 생성하는 두 가지 안정 상태를  갖는 플립플롭 입니다.

매우 간단한 클록 신호(또는 펄스)를 생성하는 한 가지 방법은 디지털 논리 게이트를 상호 연결하는 것입니다. NAND 게이트에는 전류 증폭 기능이 포함되어 있으므로 필요한 피드백 및 타이밍 기능을 제공하기 위해 단일 커패시터 및 저항기를 사용하여 적절한 클록 신호 또는 타이밍 펄스를 제공하는 데 사용할 수도 있습니다.

이러한 타이밍 회로는 단순성 때문에 자주 사용되며 일단 설계된 논리 회로에 단안정 또는 비안정 발진기를 생성하는 데 사용할 수 있는 사용되지 않은 게이트가 있는 경우에도 유용합니다. 이 간단한 유형의 RC 발진기 네트워크를 "Relaxation Oscillator"라고도 합니다.

단안정 멀티바이브레이터 회로

단안정 멀티바이브레이터 또는 "원샷" 펄스 발생기는 일반적으로 타이밍 애플리케이션을 위해 짧고 날카로운 펄스를 훨씬 더 넓은 펄스로 변환하는 데 사용됩니다. 단안정 멀티바이브레이터는 적절한 외부 트리거 신호 또는 시작 펄스 T가 적용될 때 "HIGH" 또는 "LOW"의 단일 출력 펄스를 생성합니다.

이 트리거 펄스 신호는 타이밍 사이클( t 1 ) 이 시작될 때 단안정의 출력이 상태를 변경하도록 하는 타이밍 사이클을 시작합니다   . 출력은   타이밍 커패시터 C T 와 저항기 RT 의 시간 상수에 의해 결정되는 타이밍 기간( t 2 )이 끝날 때 까지 이 두 번째 상태를 유지합니다 .

단안정 멀티바이브레이터는 이제 RC 시간 상수가 끝날 때까지 이 두 번째 타이밍 상태를 유지하고 자동으로 "재설정"되거나 원래(안정) 상태로 돌아갑니다. 그러면 단안정 회로는 유휴 상태 또는 휴지 상태인 단 하나의 안정 상태만 갖습니다. 이러한 유형의 회로에 대한 더 일반적인 이름은 이전에 본 것처럼 두 개의 교차 연결된 NAND 게이트(또는 NOR 게이트)로 만들 수 있기 때문에 간단히 "플립플롭"입니다. 아래 회로를 고려하십시오.

간단한 NAND 게이트 단안정 회로

처음에 트리거 입력 T가 저항 R1 에 의해 논리 레벨 " 1 "에서 HIGH로 유지되어 첫 번째 NAND 게이트 U1 의 출력이 논리 레벨 "0"에서 LOW라고 가정합니다(NAND 게이트 원리). 타이밍 저항 RT 는 논리 레벨 "0"과 동일한 전압 레벨에 연결되어 커패시터 C T가 완전히 방전되게 합니다. 따라서 U1 의 출력은 LOW입니다. 타이밍 커패시터가 완전히 방전됨에 따라 접합 V1 도 "0"이 되어 반전 NOT 게이트 로 연결된 두 번째 NAND 게이트 U2 의 출력이 HIGH(논리-1)가 됩니다.

두 번째 NAND 게이트 의 출력 (  U2 )은 U1  의 한 입력으로 피드백되어 필요한 포지티브 피드백을 제공합니다. 접합 V1 과 U1 의 출력은 모두 논리 " 0 "이므로 타이밍 커패시터 CT에는 전류가 흐르지 않습니다 . 이로 인해 회로가 안정 되고 트리거 입력 T가 적용될 때까지 이 안정 상태가 유지됩니다 .

 

이제 음의 펄스가 외부적으로 적용되거나 NAND 게이트 U1 의 트리거 입력에 대한 푸시 버튼 동작에 의해 적용되면 U1 의 출력은 논리 "1"(NAND 게이트 원리)로 HIGH로 이동합니다.

커패시터 양단의 전압은 순간적으로 변경될 수 없기 때문에(커패시터 충전 원리) 이로 인해 V1 의 접합과 U2 에 대한 입력도 HIGH가 되고, 결과적으로 NAND 게이트 U2 의 출력이 논리 0으로 변경됩니다. 이제 트리거 입력 펄스 T가 제거되더라도 회로는 이 두 번째 타이밍 상태로 유지됩니다. 이를 메타 안정 상태 라고 합니다 .

저항기/커패시터 조합에 의해 결정된 시정수에서 커패시터 CT가 U1의 HIGH 출력에서 ​​충전되기 시작하면 커패시터 양단의 전압이 이제 증가 합니다 . 이 충전 프로세스는 충전 전류가 U2 의 입력을 유지할 수 없어 접합 V1이 HIGH가 될 때까지 계속됩니다.

이런 일이 발생하면 U2 의 출력은 다시 HIGH(논리-1)로 전환되고, 이로 인해 U1 의 출력은 LOW로 전환되고 커패시터는 저항기 RT 의 영향을 받아 U1 의 출력으로 방전됩니다 . 이제 회로는 원래의 안정적인 상태로 다시 전환되었습니다.

따라서 각 음의 트리거 펄스에 대해 단안정 멀티바이브레이터 회로는 LOW로 가는 출력 펄스를 생성합니다. 출력 기간의 길이는 커패시터/저항기 조합( RC 네트워크 )에 의해 결정되며 회로의 시간 상수 T = 0.69RC (초) 로 제공됩니다 . NAND 게이트 의 입력 임피던스가 매우 높기 때문에 큰 타이밍 기간을 달성할 수 있습니다.

위의 NAND 게이트 단안정 유형 회로 뿐만 아니라 아래와 같이 인버터로 연결된 NOT 게이트, NAND 게이트 및 NOR 게이트 를 사용하여 트리거 펄스의 상승 에지에서 타이밍 시퀀스를 시작하는 간단한 단안정 타이밍 회로를 구축할 수도 있습니다. .

NOT 게이트 단안정 멀티바이브레이터

위의 NAND 게이트 회로 와 마찬가지로 초기에 트리거 입력 T는 로직 레벨 "1"에서 HIGH이므로 첫 번째 NOT 게이트 U1 의 출력은 로직 레벨 "0"에서 LOW입니다. 타이밍 저항 RT 및 커패시터 CT 는 두 번째 NOT 게이트 U2 의 입력에 병렬로 함께 연결됩니다 . U2 에 대한 입력이 LOW이므로 Q 에서의 출력은 HIGH가 됩니다.

로직 레벨 "0" 펄스가 첫 번째 NOT 게이트의 트리거 입력 T 에 적용되면 상태가 변경되고 로직 레벨 "1" 출력이 생성됩니다. 다이오드 D1 은 이 논리 1 전압 레벨을 RC 타이밍 네트워크에 전달합니다. 커패시터 양단의 전압 CT 는 두 번째 NOT 게이트 의 입력에도 연결되는 이 새로운 전압 레벨까지 빠르게 증가합니다 . 그러면 Q 에서 논리 "0"이 출력되고 회로에 적용된 트리거 입력 T가 LOW 로 유지되는 한 회로는 이 메타 안정 상태를 유지합니다 .

트리거 신호가 다시 HIGH로 돌아오면 첫 번째 NOT 게이트의 출력은 LOW 논리 "0"(NOT 게이트 원리)으로 바뀌고 완전히 충전된 커패시터는 연결된 병렬 저항기를 통해 스스로 방전되기 시작합니다. 커패시터 양단의 전압이 두 번째 NOT 게이트 입력의 하한 임계값 아래로 떨어지면 출력이 다시 전환되어 Q 에서 논리 레벨 "1"을 생성합니다 . 다이오드 D1은 타이밍 커패시터가 첫 번째 NOT 게이트 출력을 통해 자체 방전되는 것을 방지합니다.

그런 다음 NOT 게이트 단안정 멀티바이브레이터 의 시간 상수는 T = 0.8RC + 트리거 (초) 로 제공됩니다 .

단안정 멀티바이브레이터 의 주요 단점 중 하나 는 다음 트리거 펄스 T 의 적용 사이의 시간이 회로의 RC 시간 상수 보다 커야 한다는 것입니다.

불안정한 멀티바이브레이터 회로

불안정한 멀티바이브레이터는 가장 일반적으로 사용되는 멀티바이브레이터 회로 유형입니다. 불안정한 멀티바이브레이터는 영구적인 "메타" 또는 "정상" 상태가 없지만 출력을 한 상태(LOW)에서 다른 상태(HIGH)로 계속 변경한 다음 다시 되돌리는 자유롭게 실행되는 발진기입니다. "HIGH"에서 "LOW"로, "LOW"에서 "HIGH"로의 지속적인 스위칭 동작은 두 로직 레벨 사이를 갑자기 전환하는 지속적이고 안정적인 구형파 출력을 생성하므로 타이밍 및 클록 펄스 애플리케이션에 이상적입니다.

위의 이전 단안정 멀티바이브레이터 회로와 마찬가지로 타이밍 주기는 저항-커패시터 RC 네트워크의 RC 시간 상수에 의해 결정됩니다. 그런 다음 회로의 저항과 커패시터 값을 간단히 변경하여 출력 주파수를 변경할 수 있습니다.

NAND 게이트 불안정 멀티바이브레이터

불안정한 멀티바이브레이터 회로는 CD4069 또는 74HC04 16진수 인버터 IC와 같은 두 개의 CMOS NOT 게이트를 사용하거나 CD4011 또는 74LS132와 같은 CMOS NAND 게이트 쌍 아래의 간단한 회로 와 RC 타이밍 네트워크를 사용합니다. 두 개의 NAND 게이트는 반전 NOT 게이트 로 연결됩니다 .

처음에 NAND 게이트 U2 의 출력이 논리 레벨 "1"에서 HIGH라고 가정하면 입력은 첫 번째 NAND 게이트 U1 의 출력과 마찬가지로 논리 레벨 "0"(NAND 게이트 원리)에서 LOW여야 합니다 . 커패시터 C는 제2 NAND 게이트 U2 의 출력 과 타이밍 저항 R2 를 통한 입력 사이에 연결됩니다 . 이제 커패시터는 R 2 및 C 의 시상수에 의해 결정되는 속도로 충전됩니다 .

커패시터 C가 충전됨에 따라 저항기 R2 와 안정화 저항기를 통해 NAND 게이트 U1 의 입력에도 연결되는 커패시터 C 사이의 접합부 R2 는 U1 의 하한 임계값에 도달할 때까지 감소합니다. . 이 시점에서 U1은 상태를 변경하고 U1 의 출력은 이제 HIGH가 됩니다. 이러한 변경으로 인해 NAND 게이트 U2 의 입력도 논리 "0"에서 논리 "1" 조건으로 변경되어 NAND 게이트 U2 의 출력이 LOW가 되므로 상태도 변경됩니다.

이제 커패시터 C 는 역방향 바이어스가 되어 U1 의 입력을 통해 자체 방전을 시작합니다 . 커패시터 C는 NAND 게이트 U1 의 상한 임계값에 도달할 때까지 이전과 마찬가지로 R 2 및 C 의 시상수에 의해 결정되는 반대 방향으로 다시 충전됩니다 . 이로 인해 U1이 상태를 변경하고 주기가 다시 반복됩니다.

그런 다음 NAND 게이트 Astable Multivibrator 의 시간 상수는 T = 2.2RC (초) 로 주어지며 출력 주파수는 f = 1/T 로 지정됩니다 .

예를 들어 저항 R 2 = 10kΩ 이고 커패시터 C = 45nF 인 경우 회로의 발진 주파수는 다음과 같이 주어집니다.

그런 다음 출력 주파수는 1kHz 로 계산되며 이는 1ms 의 시간 상수와 동일합니다 . 따라서 출력 파형은 다음과 같습니다.

쌍안정 멀티바이브레이터 회로

쌍 안정 멀티바이브레이터 회로는 기본적으로 필요한 스위칭 기능을 제공하기 위해 인버터 또는 NOT 게이트 를 추가하여 이전 튜토리얼에서 살펴본 SR 플립플롭입니다 . 플립플롭과 마찬가지로 쌍안정 멀티바이브레이터의 두 상태는 모두 안정적이며 회로는 무기한으로 안정적인 상태를 유지합니다. 이러한 유형의 멀티바이브레이터 회로는 적합한 외부 트리거 펄스 T가 적용될 때만 "오직" 한 상태에서 다른 상태로 전달되므로 전체 "SET-RESET" 사이클을 통해 전환하려면 두 개의 트리거 펄스가 필요합니다. 이러한 유형의 회로는 "쌍안정 래치", "토글 래치" 또는 간단히 "T-래치"라고도 합니다.

NAND 게이트 쌍안정 멀티바이브레이터

쌍 안정 래치를 만드는 가장 간단한 방법은 위와 같이 Schmitt NAND 게이트 쌍을 연결하여 SR 래치를 형성하는 것입니다 . 2개의 NAND 게이트 U2 와 U3는 입력 NAND 게이트 U1 에 의해 트리거되는 쌍안정을 형성합니다 . 이 U1 NAND 게이트를 생략하고 단일 토글 스위치로 교체하여 이전에 SR 플립플롭 튜토리얼에서 본 스위치 디바운스 회로를 만들 수 있습니다.

입력 펄스가 "LOW"가 되면 쌍안정은 출력이 논리 레벨 "1"인 "SET" 상태로 래치되고, 입력이 "HIGH"가 되어 쌍안정이 "RESET" 상태로 래치되고 출력이 유지될 때까지 래치됩니다. 로직 레벨 "0"에서. 쌍안정 멀티바이브레이터의 출력은 다른 입력 펄스가 적용되고 전체 시퀀스가 ​​다시 시작될 때까지 이 "RESET" 상태를 유지합니다.

그런 다음 쌍 안정 래치 또는 "토글 래치"는 HIGH 또는 LOW(논리 "1" 또는 논리 "0") 상태가 모두 안정적인 2상태 장치입니다.

쌍안정 멀티바이브레이터에는 주파수 분배기, 카운터 또는 컴퓨터 메모리의 저장 장치와 같은 다양한 응용 분야가 있지만 래치 및 카운터 와 같은 회로에 가장 잘 사용됩니다 .

555 타이머 회로

단순 단안정 또는 비안정 멀티바이브레이터는 타이밍 및 발진기 회로를 생성하기 위해 일반적으로 사용되는 표준 파형 발생기 IC의 특수 설계를 사용하여 쉽게 제작됩니다. 완화 발진기는 가장 일반적으로 사용되는 파형 발생기 유형 IC인 클래식 555 타이머를 사용하여 몇 가지 수동 구성 요소를 입력 핀에 연결하여 간단하게 구성할 수 있습니다.

555 타이머는 약 1%의 우수한 안정성으로 매우 정확한 타이밍 주기를 생성할 수 있고 타이밍 주기가 제어되는 몇 마이크로초에서 수 시간 사이의 가변 타이밍 주기를 갖는 매우 다재다능한 저비용 타이밍 IC입니다. 4.5~16V 사이의 단일 양극 공급 장치에 연결된 단일 RC 네트워크.

NE555 타이머와 그 후속 제품인 ICM7555, CMOS LM1455, DUAL NE556 등은 555 발진기 튜토리얼 및 기타 우수한 전자 기반 웹 사이트에서 다루므로 여기에는 클록 펄스 생성기로서 참조 목적으로만 포함되어 있습니다. Astable Multivibrator로 연결된 555는 아래와 같습니다.

NE555 불안정한 멀티바이브레이터

여기서 555 타이머는 연속 출력 파형을 생성하는 기본 불안정 멀티바이브레이터로 연결됩니다. 핀 2와 6은 서로 연결되어 각 타이밍 사이클마다 자체적으로 다시 트리거되어 불안정한 오실레이터로 작동합니다. 커패시터 C1은 저항 R1 과 저항 R2를 통해 충전되지만 저항 R2 를 통해서만 방전됩니다. R2 의 다른 쪽은 방전 단자 핀 7 에 연결되어 있습니다. 그런 다음 t 1 및 t 2 의 타이밍 기간은 다음과 같습니다.

• t 1  = 0.693 (R 1  + R 2 ) C 1
• t 2  = 0.693 (R 2 ) C 1
• T = t 1  + t 2 = 0.693 (R 1 + 2R 2 ) C 1

커패시터 양단의 전압 C1 범위는 RC 타이밍 기간에 따라 1/3Vcc에서 약 2/3Vcc 사이입니다. 이러한 유형의 회로는 단일 공급 레일에서 작동하여 공급 전압 Vcc와 무관한 발진 주파수를 생성하므로 매우 안정적입니다.

순차 논리 회로 에 대한 다음 튜토리얼에서는 데이터 래치라고 불리는 또 다른 유형의 클록 제어 플롭-플롭을 살펴보겠습니다. 데이터 래치는 표준 게이트 SR 플립플롭으로 만들어지고 다양한 리플 카운터, 주파수 분배기 및 래치를 생성하기 위한 주파수 분할에 사용되는 매우 유용한 순차 회로입니다.