단안정 멀티바이브레이터

 

단안정 멀티바이브레이터

멀티바이브레이터는 동기식 또는 비동기식의 순차 재생 회로이며 전자 타이밍 애플리케이션에 광범위하게 사용됩니다.

멀티바이브레이터는 대칭 또는 비대칭 구형파와 유사한 출력 파형을 생성하므로 모든 구형파 발생기 중에서 가장 일반적으로 사용됩니다. 단안정 멀티바이브레이터는 일반적으로 "이완 발진기 (Relaxation Oscillator) " 라고 불리는 발진기 제품군에 속합니다 .

 일반적으로 개별 멀티바이브레이터 는 피드백 탱크를 생성하기 위해 저항기와 커패시터(RC) 네트워크가 연결된 저항기 및 커패시터( RC ) 네트워크를 통해 하나 이상의 출력이 다른 트랜지스터에 대한 입력으로 피드백되도록 설계된 2개의 트랜지스터 교차 결합 스위칭 회로로 구성됩니다.  회로.

멀티바이브레이터는 두 가지 전기적 상태, 즉 출력 "HIGH" 상태와 출력 "LOW" 상태를 가지며 멀티바이브레이터 유형에 따라 안정 또는 준안정 상태를 제공합니다. 2개 상태 펄스 발생기 구성의 이러한 유형 중 하나를 단안정 멀티바이브레이터(Monostable Multivibrators) 라고 합니다 .

 

MOSFET 단안정

단안정 멀티바이브레이터는 단 하나의 안정 상태(따라서 이름: "Mono")만 가지며 외부에서 트리거될 때 단일 출력 펄스를 생성합니다. 단안정 멀티바이브레이터는 RC 결합 회로 의 시상수에 의해 결정된 일정 시간이 지난 후에야 처음의 원래 안정 상태로 돌아갑니다 .

왼쪽의 MOSFET 회로를 고려하십시오. 저항 R 과 커패시터 C는 RC 타이밍 회로를 형성합니다 . N 채널 강화 모드 MOSFET은 커패시터에 걸리는 전압으로 인해 "ON"으로 전환되며 드레인에 연결된 LED도 "ON"됩니다.

스위치가 닫히면 커패시터가 단락되어 방전되는 동시에 MOSFET의 게이트가 접지로 단락됩니다. MOSFET과 LED는 모두 "OFF" 상태로 전환됩니다. 스위치가 닫혀 있는 동안 회로는 항상 "OFF" 상태이고 "불안정한 상태"입니다.

스위치가 열리면 완전히 방전된 커패시터는 저항기-커패시터 네트워크의 RC 시간 상수 에 의해 결정되는 속도로 저항기 R을 통해 충전되기 시작합니다. 커패시터 충전 전압이 MOSFET 게이트의 더 낮은 임계값 전압 레벨에 도달하면 MOSFET은 "ON"으로 전환되고 LED를 켜서 회로를 다시 안정적인 상태로 되돌립니다.

그런 다음 스위치를 적용하면 회로가 불안정한 상태로 들어가고, RC 네트워크의 시간 상수는 미리 설정된 시간 후에 회로를 다시 안정 상태로 되돌려 매우 간단한 "원샷" 또는 단안정 멀티바이브레이터 MOSFET 회로를 생성합니다. .

단안정 멀티바이브레이터 또는 "원샷 멀티바이브레이터"라고도 불리는 이 제품은 적절한 외부 트리거 신호 또는 펄스 T가 적용될 때 지정된 폭("HIGH" 또는 "LOW")의 단일 출력 펄스를 생성하는 데 사용 됩니다 . 이 트리거 신호는 단안정의 출력이 타이밍 사이클 시작 시 상태를 변경하고 이 두 번째 상태를 유지하게 하는 타이밍 사이클을 시작합니다.

단안정의 타이밍 사이클은 타이밍 커패시터 C T 와 저항기 RT 가 재설정되거나 원래(안정) 상태로 돌아갈 때까지의 시간 상수에 의해 결정됩니다. 단안정 멀티바이브레이터는 다른 입력 펄스나 트리거 신호가 수신될 때까지 원래의 안정 상태를 무기한 유지합니다. 그런 다음 단안정 멀티바이브레이터는 단 하나의 안정 상태만을 갖고 단일 트리거링 입력 펄스에 응답하여 전체 사이클을 진행합니다.

단안정 멀티바이브레이터 회로

 

기본 컬렉터 결합 트랜지스터 단 안정 멀티바이브레이터 회로 및 관련 파형은 위에 나와 있습니다. 처음으로 전원이 인가되면 트랜지스터 TR2 의 베이스는 바이어스 저항 RT 를 통해 Vcc 에 연결되어 트랜지스터를 "완전 ON" 상태로 포화 상태로 만들고 동시에 TR1을 "OFF" 상태로 만듭니다. 그러면 이는 출력이 0인 회로 "안정 상태"를 나타냅니다. 따라서 TR2 의 포화 베이스 단자로 흐르는 전류는 Ib = (Vcc – 0.7)/R T 와 같습니다 .

이제 네거티브 트리거 펄스가 입력에 적용되면 펄스의 빠르게 감쇠하는 에지가 커패시터 C1 을 통해 곧바로 통과하여 차단 다이오드를 통해 트랜지스터 TR1 로 이동하여 "ON"이 됩니다. 이전에 Vcc 에 있던 TR1 의 컬렉터는 0V 아래로 빠르게 떨어지며, 이는 커패시터 C T 에 플레이트 전체에 걸쳐 -0.7v의 역전하를 효과적으로 제공합니다. 이 조치로 인해 트랜지스터 TR2는 이제 트랜지스터를 완전히 "OFF" 상태로 유지하는 X 지점에서 마이너스 베이스 전압을 갖게 됩니다 . 그러면 이는 출력 전압이 Vcc인 "불안정한 상태"인 회로의 두 번째 상태를 나타냅니다.

타이밍 커패시터 CT 는 타이밍 저항 RT를 통해 이 -0.7v를 방전하기 시작하여 공급 전압 Vcc까지 충전을 시도 합니다 . 트랜지스터 TR2 의 베이스에서의 이 음의 전압은 R T C T 조합 의 시상수에 의해 결정되는 속도로 점진적으로 감소하기 시작합니다 .

 

TR2 의 기본 전압이 다시 Vcc 로 증가하면 트랜지스터가 전도되기 시작하고 트랜지스터 TR1 이 다시 "OFF"됩니다 . 이로 인해 단안정 멀티바이브레이터는 자동으로 원래의 안정 상태로 돌아가서 두 번째 네거티브 트리거 펄스를 다시 시작하기를 기다립니다. 다시 한번 과정을 거치세요.

단안정 멀티바이브레이터는 매우 짧은 펄스 또는 훨씬 더 긴 직사각형 모양의 파형을 생성할 수 있습니다. 이 파형의 앞쪽 가장자리는 외부에서 적용된 트리거 펄스에 맞춰 상승하고 뒤쪽 가장자리는 사용된 피드백 구성 요소의 RC 시간 상수에 따라 달라집니다. 이 RC 시간 상수는 아래 표시된 대로 원래 트리거 펄스와 관련하여 제어된 고정 시간 지연을 갖는 일련의 펄스를 생성하기 위해 시간에 따라 변경될 수 있습니다.

단안정 멀티바이브레이터 파형

 

단 안정 멀티바이브레이터 의 시간 상수는 커패시터 값, C T 저항기, R T 또는 둘 다의 값을 변경하여 변경할 수 있습니다. 단안정 멀티바이브레이터는 일반적으로 펄스 폭을 늘리거나 회로 내에서 시간 지연을 생성하는 데 사용됩니다. 출력 신호의 주파수는 항상 트리거 펄스 입력의 주파수와 동일하고 유일한 차이점은 펄스 폭입니다.

TTL/CMOS 단안정 멀티바이브레이터

트랜지스터와 같은 개별 개별 부품으로 단안정 멀티바이브레이터를 생산할 뿐만 아니라 일반적으로 사용 가능한 집적 회로를 사용하여 단안정 회로를 구성할 수도 있습니다. 다음 회로는 2개의 2입력 논리 "NOR" 게이트를 사용하여 기본 단안정 멀티바이브레이터 회로를 구성하는 방법을 보여줍니다.

NOR 게이트 회로

 

처음에 트리거 입력이 논리 레벨 "0"에서 LOW이므로 첫 번째 NOR 게이트 U1 의 출력이 논리 레벨 "1"에서 HIGH라고 가정합니다(NOR 게이트 원리). 저항기 RT 는 공급 전압에 연결되므로 논리 레벨 "1"과 동일합니다. 이는 커패시터 C T가 두 플레이트 모두에서 동일한 전하를 갖는다는 것을 의미합니다. 따라서 접합 V1은 이 전압과 동일하므로 두 번째 NOR 게이트 U2 의 출력은 논리 레벨 "0"에서 LOW가 됩니다. 그러면 이는 출력이 0인 회로 "안정 상태"를 나타냅니다.

시간 t 0 에서 포지티브 트리거 펄스 가 입력에 적용되면 첫 번째 NOR 게이트 U1 의 출력은 커패시터 CT 의 왼쪽 플레이트와 함께 LOW가 되어 커패시터를 방전시킵니다. 이제 커패시터의 두 플레이트 모두 논리 레벨 "0"이므로 두 번째 NOR 게이트 에 대한 입력도 U2 이므로 논리 레벨 "1"과 동일한 출력이 생성됩니다. 이는 출력 전압이 +Vcc인 "불안정한 상태"인 회로의 두 번째 상태를 나타냅니다.

두 번째 NOR 게이트인 U2는 타이밍 커패시터가 이제 저항기 RT를 통해 충전될 때까지 이 두 번째 불안정한 상태를 유지합니다. RT 는 U2 의 최소 입력 임계 전압 (약 2.0V)에 도달합니다. 이로 인해 이제 입력에 논리 레벨 "1" 값이 나타나므로 U2의 상태가 변경됩니다.

NOR 게이트 출력은 논리 "0"으로 재설정되고 이는 다시 U1 의 한 입력으로 피드백됩니다(피드백 루프) . 이 작업은 단안정을 원래의 안정 상태로 자동으로 되돌리고 타이밍 프로세스를 다시 시작하기 위해 두 번째 트리거 펄스를 기다립니다.

NOR 게이트 단안정 파형

 

그러면 다음과 같이 회로의 기간에 대한 방정식이 제공됩니다.

 

여기서 R 은 Ω이고 C는 패럿입니다.

또한 특수 IC를 사용하여 단안정 펄스 발생기를 만들 수 있으며 74LS121 표준 원샷 단안정 멀티바이브레이터나 74LS123 또는 4538B 재트리거 가능 단안정 멀티바이브레이터와 같이 이 전용 집적 회로가 이미 있으며 40까지 낮은 출력 펄스 폭을 생성할 수 있습니다. 펄스 폭이 T = 0.69RC (초)인 두 개의 외부 RC 타이밍 구성 요소 만 사용하면 나노초를 최대 28초까지 단축할 수 있습니다 .

74LS121 단안정 멀티바이브레이터

 

이 단안정 펄스 발생기 IC는 상승 에지 트리거 펄스 또는 하강 에지 트리거 펄스에서 출력 펄스를 생성하도록 구성할 수 있습니다. 74LS121은 약 10ns ~ 약 10ms 폭의 펄스 폭, 40kΩ의 최대 타이밍 저항 및 1000uF의 최대 타이밍 커패시터를 생성할 수 있습니다.

튜토리얼 요약

그러면 요약하자면, 단 안정 멀티바이브레이터 회로는 단 하나 의 안정 상태만 갖고 있어 "원샷" 펄스 발생기가 됩니다. 짧은 외부 트리거 펄스에 의해 트리거되는 경우 양수 또는 음수입니다.

트리거되면 단안정 상태가 변경되고 사용된 RC 피드백 타이밍 구성 요소 의 사전 설정된 기간에 의해 결정된 시간 동안 이 두 번째 상태가 유지됩니다 . 이 기간이 지나면 단안정은 두 번째 트리거 펄스를 기다리면서 자동으로 원래의 낮은 상태로 돌아갑니다.

따라서 단안정 멀티바이브레이터는 트리거 펄스 생성기로 간주될 수 있으며 일반적으로 출력 신호의 주파수가 트리거 펄스 입력의 주파수와 동일하고 펄스 폭만 차이가 나기 때문에 회로 내에서 시간 지연을 생성하는 데 일반적으로 사용됩니다.

"단안정 멀티바이브레이터"의 주요 단점 중 하나는 커패시터가 충전 및 방전되는 시간을 허용하기 위해 다음 트리거 펄스를 적용하는 사이의 시간이 회로의 미리 설정된 RC 시간 상수 보다 커야 한다는 것입니다 .

멀티바이브레이터 에 대한 다음 튜토리얼에서는 한 안정 상태에서 다른 안정 상태로 전환하기 위해 두 개의 트리거 펄스가 필요한 두 개의 안정 상태를 갖는 것을 살펴보겠습니다 . 이러한 유형의 멀티바이브레이터 회로는 "플립플롭(Flip-flops)"이라는 더 일반적인 이름으로도 알려진 쌍안정 멀티바이브레이터라고 합니다.