Circuitele monostabile pot fi ușor realizate utilizând componente discrete sau porți logice digitale, dar circuitele monostabile pot fi construite folosind și amplificatoare operaționale (A.O.).

Circuitele A.O. multivibrator monostabil (one-shot multivibrator) sunt circuite de comutare cu feedback pozitiv (sau regenerative) care au doar o stare stabilă, producând un impuls de ieșire de o durată specificată T.

Se aplică un semnal de declanșare externă pentru ca acesta să schimbe starea și după o perioadă de timp stabilită, fie în microsecunde, fie în milisecunde sau secunde, o perioadă de timp determinată de componentele RC, circuitul monostabil se întoarce în starea inițială stabilă, unde rămâne până la apariția următorului semnal de declanșare.

Diagrama bloc de bază a multivibratorului monostabil este dată de:

Diagrama bloc de mai sus arată că un multivibrator monostabil este construit prin adăugarea unui rezistor extern (R) și a unui condensator (C) pe un circuit de comutare. Circuitul de comutare poate fi realizat folosind tranzistoare, porți logice digitale sau A.O. de uz general. Constanta de timp τ a combinației rezistor-condensator determină lungimea impulsului T.

În acest tutorial vom construi un circuit multivibrator monostabil utilizând un circuit A.O. comparator cu o cale de reacție pozitivă. Întrucât feedback-ul este pozitiv circuitul este regenerativ, adică se adaugă la semnalul de intrare diferențial.

Circuit A.O. monostabil

În primul rând, să considerăm circuitul amplificatorului inversor așa cum este arătat.

În această configurație a A.O. inversor, o parte din semnalul de ieșire (numit fracția de feedback) este trimis înapoi la intrarea inversoare a A.O. prin rețeaua rezistivă.

În această configurație de bază de inversare, fracția de feedback este, deci, negativă, deoarece este trimisă înapoi la intrarea inversoare și forțează tensiunea de intrare diferențială spre zero.

Rezultatul este că A.O. produce un semnal de ieșire amplificat care este 180° defazat cu semnalul de intrare. Deci, o creștere a tensiunii terminalului inversor, -V trimisă înapoi de la ieșire, determină o scădere a tensiunii de ieșire VO producând un amplificator echilibrat și stabil operând în regiunea sa liniară.

Gândiți-vă acum la același circuit A.O. identic în care intrările inversoare și ne-inversoare au fost interschimbate. Adică semnalul de reacție este trimis înapoi la intrarea neinversoare, iar procesul de feedback este acum pozitiv, producând un circuit A.O. comparator de bază cu histerezis încorporat.

Circuitul multivibrator monostabil este construit în jurul unui A.O., configurat ca un circuit Trigger-Schmitt cu buclă închisă, care utilizează feedback pozitiv furnizat de rezistoarele R1 și R2 pentru a genera histerezisul necesar. Utilizarea feedback-ului pozitiv înseamnă că feedback-ul este regenerativ și asigură dependența stării necesare care schimbă A.O. într-un dispozitiv de memorie bistabilă.

Considerați circuitul A.O. comparator de tensiune de bază de mai jos.

A.O. Comparator Schmitt

O rețea rezistivă este conectată între ieșirea A.O. și intrarea neinversoare (+). Când Vout este saturată la șina de alimentare pozitivă (+ Vcc), se aplică o tensiune pozitivă față de masă la intrarea neinversoare a A.O. De asemenea, atunci când Vout este saturată la șina de alimentare negativă (-Vcc), se aplică o tensiune negativă față de masă la intrarea ne-inversoare a A.O.

Deoarece cele două rezistoare sunt configurate pe ieșire sub forma unei rețele divizoare de tensiune, tensiunea VB prezentă la intrarea neinversoare va fi, prin urmare, dependentă de fracțiunea din tensiunea de ieșire trimisă înapoi prin raportul dintre cele două rezistoare. Această fracție de feedback β este dată de:

Rețineți că putem face valoarea lui β variabilă prin înlocuirea rezistoarelor R1 și R2 cu un potențiometru în care cursorul potențiometrului este conectat direct la intrarea neinversoare a A.O., permițându-ne astfel să schimbăm fracția de feedback.

Deoarece cantitatea de histerezis este direct legată de cantitatea de fracțiune de feedback, cel mai bine este să evitați construirea unui A.O. de declanșare Schmitt (comparator regenerativ) cu cantități foarte mici de histerezis (β mic) deoarece acest lucru poate duce la A.O. care oscilează între punctele superioare și cele inferioare atunci când comută.

Dacă acum plasăm o rețea de feedback pe declanșatorul Schmitt între ieșire și intrarea inversoare (-), putem controla timpul necesar pentru ca A.O. Schmitt să schimbe starea. Prin aceasta, semnalul la intrarea inversoare a A.O. este acum furnizat de către A.O. însuși prin intermediul rețelei externe de feedback RC, așa cum se arată.

Circuit A.O. monostabil de bază

La pornirea inițială (adică t = 0), ieșirea (VOUT) se va satura fie la șina pozitivă (+Vcc), fie la șina negativă (-Vcc), deoarece acestea sunt singurele stări stabile permise de A.O. Să presupunem că, deocamdată, ieșirea a basculat spre șina de alimentare pozitivă +Vcc. Atunci, tensiunea la intrarea neinversoare VB va fi egală cu +Vcc*β unde β este fracția de reacție.

Intrarea inversoare este menținută la 0,7 V, căderea de tensiune directă pe dioda D1 și fixată la 0 V (masa) de către diodă, împiedicând-o să meargă mai pozitivă. Astfel, potențialul de la VA este mult mai mic decât cel de la VB și ieșirea rămâne stabilă la +Vcc. În același timp, condensatorul (C) se încarcă până la același potențial de 0,7 V și este menținut acolo prin căderea de tensiune de polarizare directă a diodei.

Dacă am aplica un impuls negativ la intrarea neinversoare, tensiunea de 0,7 V la VA devine acum mai mare decât tensiunea la VB, deoarece VB este acum negativă. Astfel, ieșirea A.O. configurat Schmitt comută starea și saturează la șina de alimentare negativă -Vcc. Rezultatul este că potențialul la VB este acum egal cu -Vcc*β.

Această stare temporar metastabilă face ca condensatorul să se încarce exponențial în direcția opusă prin rezistorul de reacție R de la +0,7 V până la ieșirea saturată care tocmai a trecut la -Vcc. Dioda D1 devine polarizată invers, deci nu are nici un efect. Condensatorul C se va încărca la o constantă de timp τ = RC.

De îndată ce tensiunea condensatorului la VA atinge același potențial ca și VB, adică -Vcc*β, A.O. comută înapoi la starea inițială permanent stabilă cu ieșire saturată încă o dată la +Vcc.

Rețineți că, odată ce perioada de temporizare este completă și ieșirea A.O. se schimbă înapoi în starea sa stabilă și se saturază la șina de alimentare pozitivă, condensatorul încearcă să se încarce în sens invers la +Vcc, dar poate încărca numai la o valoare maximă de 0,7V dat de căderea de tensiune directă pe diode. Putem afișa acest efect grafic ca:

Forme de undă ale A.O. monostabil

Atunci, vedem că o intrare de declanșare negativă va comuta circuitul A.O. monostabil în starea temporar instabilă. După o întârziere de timp T, în timp ce condensatorul C se încarcă prin rezistorul de reacție R, circuitul revine la starea stabilă normală odată ce tensiunea condensatorului atinge potențialul necesar.

Această perioadă de timp de întârziere (T) a impulsului dreptunghiular la ieșire, timpul de stare instabilă, este dată de:

Perioada de temporizare a A.O. monostabil

Dacă cele două rezistoare de feedback ale A.O. au aceeași valoare, și anume: R1 = R2, atunci ecuația de mai sus se simplifică mult:

T = 0,693RC

Evident, există o anumită perioadă de timp în care condensatorul începe a încărca din nou de la -Vcc*β la VD (0,7V) și, prin urmare, în această perioadă, un al doilea impuls negativ nu poate porni o nouă perioadă de temporizare.

Atunci, pentru a asigura funcționarea corectă a circuitului A.O. monostabil la aplicarea următorului impuls de declanșare, perioada de timp dintre impulsurile de declanșare (Ttotal) trebuie să fie mai mare decât perioada de temporizare T plus timpul necesar condensatorului pentru reîncărcare (Tîncărcare).

Timpul de recuperare a încărcării este dat de:

unde: Vcc este tensiunea de alimentare, VD este căderea de tensiune directă pe diodă (de obicei de la 0,6 la 0,7 volți) și β este fracția de reacție.

Pentru a se asigura că circuitul A.O. monostabil are un bun semnal de declanșare negativ care inițiază perioada de temporizare pe frontul anterior al impulsului negativ și, de asemenea, pentru a opri orice declanșare falsă a circuitului atunci când este în stare stabilă, putem adăuga un circuit de diferențiere RC la intrare.

Un circuit diferențiator este util în producerea unui vârf de ieșire negativ dintr-o formă de undă de intrare pătrată sau dreptunghiulară. Reducerea bruscă și abruptă a tensiunii de prag a comparatoarelor sub fracția de feedback, valoarea β, conduce monostabilul în perioada sa de temporizare. Se formează un circuit de diferențiere folosind un rezistor-condensator (rețeaua RC) așa cum se arată.

Circuit diferențiator RC

Circuitul de diferențiere de bază de mai sus utilizează o altă rețea rezistor-condensator (RC) a cărei tensiune de ieșire este derivata tensiunii de intrare, în raport cu timpul. Când tensiunea de intrare variază de la 0 la -Vcc, condensatorul începe să se încarce exponențial. Deoarece tensiunea condensatorului Vc este inițial zero, tensiunea de ieșire a diferențiatorului sare brusc de la 0 la -Vcc producând un vârf negativ și apoi scade exponențial pe măsură ce se încarcă condensatorul.

În general, pentru un circuit de diferențiere RC, valoarea maximă a vârfului negativ este aproximativ egală cu amplitudinea formei de undă a declanșatorului. De asemenea, ca regulă generală, pentru ca un circuit diferențiator RC să producă bune vârfuri înguste, ascuțite, constanta de timp (τ) ar trebui să fie de cel puțin zece ori mai mică decât lățimea impulsului de intrare. De exemplu, dacă lățimea impulsului de intrare este de 10 ms, atunci constanta de timp 5RC trebuie să fie mai mică de 1 ms (10%).

Avantajul utilizării unui circuit de diferențiere este că orice tensiune DC constantă sau semnal lent variabil va fi blocată, permițând numai impulsurilor de declanșare rapid variabile să inițieze perioada de timp monostabilă. Dioda D asigură că impulsul de declanșare care ajunge la intrarea ninversoare a A.O. este întotdeauna negativă.

Adăugarea circuitului diferențial RC la A.O. monostabil de bază oferă:

Circuitul A.O. monostabil

A.O. monostabil. Exemplul nr. 1

Un circuit A.O. monostabil este construit folosind următoarele componente: R1 = 30 kΩ, R2 = 30 kΩ, R = 150 kΩ și C = 1,0 uF. Dacă A.O. monostabilul este alimentat dintr-o sursă de ± 12V și perioada de temporizare este inițiată cu un impuls de 10ms, calculați perioada de timp a circuitului, timpul de recuperare a condensatorului, timpul total dintre impulsurile de declanșare și valorile rețelei diferențiatoare. Desenați circuitul complet.

Date: R1 = R2 = 30 kΩ, R = 150 kΩ, C = 1,0 μF și lățimea impulsului este egală cu zece milisecunde (10 ms).

1. Perioada de timp, T :

2. Timp de recuperare al condensatorului:

3. Timp total între impulsuri de declanșare:

4. Impulsul de intrare este dat de 10 ms, deci durata vârfului negativ va fi de 1 ms (10%). Dacă presupunem o valoare de capacitate de 0.1 μF, atunci valorile diferențiatorului RC sunt calculate ca:

Aceasta dă circuitul A.O. monostabil final pentru exemplul nostru ca:

Am văzut în acest tutorial că un circuit A.O. monostabil poate fi construit folosind un A.O. de uz general, cum ar fi 741, și câteva componente suplimentare. Deși poate fi mai ușor să se construiască circuite monostabile care utilizează componente discrete, porți logice digitale sau cipul comun 555 IC, uneori este necesar să se construiască monostabile folosind A.O. pentru utilizarea în circuite analogice.

Prin configurarea unui A.O. ca declanșator Schmitt cu feedback pozitiv, durata impulsului de ieșire este determinată de constanta de timp a circuitului de temporizare RC, precum și de valoarea raportului rețelei rezistive de divizare a tensiunii care realizează feedback pozitiv care ajută circuitul să devină instabil.