Multivibratoarele sunt circuite regenerative secvențiale, sincrone sau asincrone și sunt utilizate extensiv în aplicații de sincronizare electronică.

Multivibratoarele produc o formă de undă de ieșire asemănătoare cu cea a unei unde pătrate simetrice sau asimetrice și ca atare sunt cele mai frecvent utilizate din toate generatoarele de unde pătrate. Multivibratoarele aparțin unei familii de oscilatoare denumite în mod obișnuit "Oscilatoare de relaxare".

În general, multivibratoarele discrete constau din două tranzistoare cuplate încrucișat într-un circuit de comutare proiectat astfel încât una sau mai multe dintre ieșirile sale să alimenteze o intrare la celălalt tranzistor cu o rețea de rezistoare și condensatoare (RC) conectate între ele, pentru a produce circuitul rezervor de feedback.

Multivibratoarele au două stări electrice diferite, o stare de ieșire "HIGH" și o stare de ieșire "LOW", oferindu-le fie o stare stabilă fie una cvasi-stabilă, în funcție de tipul de multivibrator. Un astfel de tip de configurație de generator de impuls cu două stări se numește multivibrator monostabil.

Multivibratorul monostabil are numai o stare stabilă (de aici și numele lor: "Mono") și produce un singur impuls de ieșire atunci când este declanșat extern. Multivibratorul monostabil revine la prima lor stare originală și stabilă numai după o perioadă de timp determinată de constanta de timp a circuitului cuplat RC.

Considerați circuitul MOSFET din stânga. Rezistorul R și condensatorul C formează un circuit de temporizare RC. MOSFET în modul de îmbunătățire cu canal-N este comutat "ON" datorită tensiunii pe condensator, cu LED-ul conectat la drenă, de asemenea, "ON".

Când comutatorul este închis, condensatorul este scurtcircuitat și se descarcă, în timp ce poarta MOSFET este scurtcircuitată la masă. MOSFET-ul și, prin urmare, LED-ul sunt ambele comutate "OFF". În timp ce comutatorul este închis circuitul va fi întotdeauna "OFF" și în "starea sa instabilă".

Când comutatorul este deschis, condensatorul complet descărcat începe să se încarce prin rezistorul R la o rată determinată de constanta de timp RC a rețelei rezistor-condensator. Odată ce tensiunea de încărcare a condensatorului atinge nivelul tensiunii de prag inferior al porții MOSFET, MOSFET comută "ON" și aprinde LED-ul readucând circuitul la starea sa stabilă.

Deci, aplicarea comutatorului determină intrarea circuitului în starea sa instabilă, în timp ce constanta de timp a rețelei RC îl readuce la starea sa stabilă după o perioadă prestabilită de temporizare, producând astfel un circuit MOSFET foarte simplu "one-shot" sau multivibrator monostabil.

Multivibratoarele monostabile sau „One-Shot Multivibrators“, așa cum sunt numite, sunt folosite pentru a genera un singur impuls de ieșire de o lățime specificată, fie „HIGH“ sau „LOW“, atunci când un semnal adecvat de declanșare extern sau impuls T este aplicat. Acest semnal trigger inițiază un ciclu de temporizare care determină ieșirea monostabilului să-și schimbe starea la începutul ciclului de temporizare și va rămâne în această a doua stare.

Ciclul de temporizare al monostabilului este determinat de constanta de timp a condensatorului de temporizare CT și rezistorul RT până când se resetează sau revine înapoi în starea inițială (stabilă). Multivibratorul monostabil va rămâne în această stare stabilă inițială pe o perioadă nedeterminată până la primirea unui alt impuls de intrare sau a unui semnal de declanșare. Deci, multivibratorul monostabil are numai o stare stabilă și trece printr-un ciclu complet ca răspuns la un singur impuls de declanșare pe intrare.

Circuit multivibrator monostabil

Circuitul multivibrator monostabil cu tranzistoare cuplate la colector și forma de undă asociată acestuia sunt prezentate mai sus. Atunci când puterea este aplicată prima dată, baza tranzistorului TR2 este conectată la Vcc prin intermediul rezistorului de polarizare RT comutând tranzistorul "complet ON" și în saturație și în același timp comutând TR1 "OFF" în proces. Aceasta reprezintă "starea stabilă" a circuitului cu ieșire zero. Curentul care curge în terminalul de bază saturată a lui TR2 va fi egal cu IB = (Vcc - 0,7)/RT.

Dacă se aplică acum un impuls trigger negativ la intrare, frontul de scădere rapidă a impulsului va trece direct prin condensatorul C1 la baza tranzistorului TR1 prin dioda de blocare, comutându-l "ON". Colectorul lui TR1, care a fost anterior la Vcc, scade rapid sub zero volți, dând efectiv condensatorului CT o sarcină inversă de -0,7 V pe plăcile sale. Această acțiune are drept rezultat faptul că tranzistorul TR2 are acum o tensiune de bază minus la punctul X care ține tranzistorul complet "OFF". Aceasta reprezintă starea secundară a circuitului, "starea instabilă", cu o tensiune de ieșire egală cu Vcc.

Condensatorul de temporizare CT începe să descarce acest -0,7 V prin rezistorul de temporizare RT, încercând să se încarce până la tensiunea de alimentare Vcc. Această tensiune negativă la baza tranzistorului TR2 începe să scadă treptat la o rată determinată de constanta de timp a combinației RTCT. Deoarece tensiunea de bază a lui TR2 crește înapoi până la Vcc, tranzistorul începe să conducă și făcând astfel să se comute "OFF" din nou tranzistorul TR1 ceea ce duce la revenirea automată a multivibratorului monostabil înapoi la starea inițială stabilă în așteptarea unui al doilea impuls de declanșare negativă pentru a reporni din nou procesul.

Multivibratorul monostabil poate produce un impuls foarte scurt sau o formă de undă mult mai lungă dreptunghiulară, al cărei front anterior crește în timp cu impulsul de declanșare extern aplicat și al cărui front posterior depinde de constanta de timp RC a componentelor de feedback utilizate. Această constantă de timp RC poate fi variată cu timpul pentru a produce o serie de impulsuri care au o întârziere de timp fixată controlată în raport cu impulsul declanșator inițial, după cum se arată mai jos.

Forme de undă la un multivibrator monostabil

Constanta de timp a multivibratorului monostabil poate fi schimbată prin modificarea valorilor condensatorului CT, a rezistorului RT sau a ambelor. Multivibratorul monostabil este utilizat, în general, pentru a mări lățimea unui impuls sau pentru a produce o întârziere de timp în cadrul unui circuit, deoarece frecvența semnalului de ieșire este întotdeauna aceeași cu cea a intrării impulsului declanșator, singura diferență fiind lățimea impulsului.

Multivibrator monostabil TTL/CMOS

Pe lângă producerea multivibratoarelor monostabile din componente individuale discrete, cum ar fi tranzistoare, putem construi și circuite monostabile utilizând circuite integrate disponibile în mod obișnuit. Următorul circuit arată modul în care un circuit multivibrator monostabil de bază poate fi construit folosind doar două porți logice "NOR" cu 2 intrări.

Monostabil poarta NOR

Să presupunem inițial că intrarea de declanșare este LOW la un nivel logic "0" astfel încât ieșirea de la prima poartă NOR U1 să fie HIGH la nivel logic "1", (principiul porții NOR). Rezistorul RT este conectat la tensiunea de alimentare astfel încât este, de asemenea, egal cu nivel logic "1", ceea ce înseamnă că condensatorul CT are aceeași sarcină pe ambele plăci. Joncțiunea V1 este, prin urmare, egală cu această tensiune, astfel încât ieșirea din a doua poartă NOR U2 va fi LOW la nivel logic "0". Aceasta reprezintă "starea stabilă" a circuitului cu ieșire zero.

Atunci când un impuls de declanșare pozitiv este aplicat la intrare la momentul t0, ieșirea primei porți NOR U1 este LOW, luând cu ea placa stângă a condensatorului CT, prin aceasta descărcând condensatorul. Deoarece ambele plăci ale condensatorului sunt acum la nivel logic "0", la fel este intrarea celei de a doua porți NOR, U2 rezultând o ieșire egală cu nivelul logic "1". Aceasta reprezintă starea secundară a circuitelor, "starea instabilă", cu o tensiune de ieșire egală cu + Vcc.

Cea de-a doua poartă NOR, U2 va menține această a doua stare instabilă până când condensatorul de temporizare se va încărca acum prin rezistorul RT până atinge tensiunea de prag minimă de intrare a U2 (aprox 2,0 V), determinând-o să schimbe starea deoarece o valoare de nivel logic "1" a apărut acum pe intrările sale. Acest lucru face ca ieșirea să fie resetată la "0" logic, care la rândul ei este trimisă înapoi (buclă de feedback) la o intrare de U1. Această acțiune readuce monostabilul înapoi la starea inițială stabilă și așteaptă un al doilea impuls de declanșare pentru a reporni din nou procesul de temporizare.

Forme de undă la monostabil poartă NOR

Aceasta ne dă atunci o ecuație pentru perioada de timp a circuitului:

τ = 0,7 RC

unde R este în Ω și C în Farazi.

Putem produce generatoare de impulsuri monostabile utilizând IC speciale și există deja circuite integrate dedicate acestui model, cum ar fi multivibratorul monostabil 74LS121 standard sau 74LS123 sau multivibratorul monostabil re-declanșator 4538B care poate produce lățimi de impuls de ieșire de la 40 nanosecunde până la 28 de secunde, utilizând doar două componente externe de temporizare RC cu lățimea impulsului dat: T = 0,69RC în secunde.

Generator monostabil 74LS121

Acest IC, generator monostabil de impulsuri, poate fi configurat să producă un impuls de ieșire fie pe un impuls de declanșare cu front de creștere, fie pe un impuls de declanșare cu front de descreștere. 74LS121 poate produce lățimi de impuls de la aproximativ 10 ns la aproximativ 10 ms cu o rezistență maximă de temporizare de 40 kΩ și un condensator de timing maxim de 1000 μF.

Rezumat Multivibrator monostabil

Ppentru a rezuma, circuitul multivibrator monostabil are doar o stare stabilă, făcându-l un generator de impulsuri "one-shot", atunci când este declanșat de un impuls scurt de declanșare extern, fie pozitiv, fie negativ.

Odată declanșat, monostabilul schimbă starea și rămâne în această a doua stare pentru o perioadă de timp prestabilită de componentele de temporizare a feedback-ului RC utilizate. După ce o astfel de perioadă de timp a trecut, monostabilul se întoarce automat la starea sa inițială în așteptarea unui al doilea impuls de declanșare.

Multivibratoarele monostabile pot fi, prin urmare, considerate ca generatoare de impulsuri declanșate și sunt utilizate, în general, pentru a produce o întârziere de timp în cadrul unui circuit, deoarece frecvența semnalului de ieșire este aceeași cu cea de la intrarea impulsului declanșator, singura diferență fiind lățimea impulsului.

Un dezavantaj principal al "multivibratorului monostabil" este acela că timpul pentru aplicarea următorului impuls de declanșare trebuie să fie mai mare decât constanta de timp presetată RC a circuitului pentru a permite încărcarea și descărcarea condensatorului.

În următorul tutorial despre multivibratoare, ne vom uita la unul care are două stări stabile care necesită două impulsuri de declanșare pentru a trece de la o stare stabilă la alta. Acest tip de circuit multivibrator este numit Multivibrator Bistabil cunoscut și prin denumirea lui mai obișnuită de "flip-flop".