مدارهای مونو استابل را می‌توان به راحتی با استفاده از اجزای گسسته یا گیت‌های منطقی دیجیتال ساخت، اما طراحی مونو استابل با آپ امپ نیز ممکن است.
مدارهای مولتی ویبراتور مونو استابل آپ امپ (مولتی ویبراتور تک ضرب) مدارهای سوئیچینگ با فیدبک مثبت (یا احیا کننده) هستند که تنها دارای یک حالت پایدار بوده و یک پالس خروجی با مدت زمان مشخص T تولید می‌کنند.
یک سیگنال تریگر (تحریک) خارجی برای تغییر حالت اعمال می‌شود و پس از یک دوره زمانی مشخص، میکرو ثانیه ، میلی ثانیه یا ثانیه، یک بازه زمانی که توسط اجزای RC تعیین می‌شود، مدار مونو استابل دوباره به حالت پایدار اصلی خود باز می‌گردد و تا رسیدن سیگنال ورودی تریگر بعدی باقی می‌ماند.
یک سیگنال ماشه خارجی برای تغییر حالت اعمال می شود و پس از یک دوره زمانی مشخص ، میکرو ثانیه ، میلی ثانیه یا ثانیه ، یک بازه زمانی که توسط اجزای RC تعیین می شود ، مدار یکپارچه دوباره به حالت پایدار اصلی خود باز می گردد ، تا رسیدن سیگنال ورودی ماشه بعدی باقی می ماند.
بلوک دیاگرام (نمودار بلوکی) مولتی ویبراتور مونو استابل ساده به شکل زیر است:
بلوک دیاگرام مونو استابل آپ امپ
بلوک دیاگرام بالا نشان می‌دهد که با افزودن یک مقاومت (R) و خازن (C) خارجی به یک مدار سوئیچینگ، یک مولتی ویبراتور مونو استابل ساخته می‌شود. مدار سوئیچینگ را می‌توان با استفاده از ترانزیستورها، گیت‌های منطقی دیجیتال یا تقویت کننده‌های عملیاتی عمومی ساخت. ثابت زمانی (τ) ترکیب مقاومت و خازن، طول پالس (T) را تعیین می‌کند.
در این آموزش یک مدار مولتی ویبراتور مونو استابل با استفاده از یک مدار مقایسه کننده تقویت کننده عملیاتی با مسیر فیدبک مثبت خواهیم ساخت. از آنجا که فیدبک مثبت است، مدار احیا می‌شود، یعنی به سیگنال ورودی دیفرانسیلی می‌افزاید.
مدار مونو استابل آپ امپ
در ابتدا مدار آپ‌امپ وارونگر شکل زیر را در نظر بگیرید.
در این پیکربندی تقویت کننده عملیاتی وارونگر، بخشی از سیگنال خروجی (که کسر فیدبک نامیده می‌شود) از طریق شبکه مقاومتی به ورودی وارونگر تقویت کننده عملیاتی باز می‌گردد.
در نتیجه، در این پیکربندی وارونگر اولیه، کسر فیدبک منفی است، زیرا به ورودی وارونگر باز می‌گردد. این پیکربندی فیدبک منفی بین خروجی و ترمینال ورودی وارونگر، ولتاژ ورودی دیفرانسیلی را به سمت صفر می‌کشاند.
نتیجه این فیدبک منفی این است که آپ امپ یک سیگنال خروجی تقویت شده تولید می‌کند که با سیگنال ورودی 180° اختلاف فاز دارد. بنابراین افزایش ولتاژ ترمینال وارونگر (V–) برگشت داده شده از خروجی باعث کاهش ولتاژ خروجی (VO) می‌شود و یک تقویت کننده متعادل و پایدار را تولید می‌کند که در ناحیه خطی خود کار می‌کند.
حال همان مدار تقویت کننده عملیاتی یکسان را در نظر بگیرید که در آن ورودی‌های وارونگر و غیر وارونگر آپ امپ با هم جابجا شده‌اند. این یعنی سیگنال فیدبک به ورودی غیر معکوس کننده برگشت داده می‌شود و روند فیدبک اکنون مثبت است، در نتیجه یک مدار مقایسه کننده آپ امپ ساده با هیسترزیس داخلی تولید شده است.
مدار مولتی ویبراتور مونو استابل با آپ امپ در اطراف یک تقویت‌کننده عملیاتی متصل می‌شود که به عنوان یک مدار حلقه بسته اشمیت تریگر پیکربندی شده است که از فیدبک مثبتی که توسط مقاومت‌های R1 و R2 تامین می‌شود، برای ایجاد هیسترزیس مورد نیاز استفاده می‌کند. استفاده از فیدبک مثبت به این معنی است که فیدبک احیا کننده است و وابستگی حالت مورد نیاز را فراهم می‌کند و در واقع آپ امپ را به یک دستگاه حافظه بای استابل تغییر می‌دهد.
مدار مقایسه کننده ولتاژ آپ امپ ساده زیر را در نظر بگیرید.
مقایسه کننده اشمیت با آپ امپ
یک شبکه مقاومتی بین خروجی و ورودی غیر وارونگر (+) آپ امپ متصل است. هنگامی که Vout به سمت ریل تغذیه مثبت (+VCC) اشباع شده است، یک ولتاژ مثبت نسبت به زمین به ورودی غیر وارونگر آپ امپ اعمال می‌شود. به همین ترتیب، هنگامی که Vout به سمت ریل تغذیه منفی (-VCC) اشباع شده است، یک ولتاژ منفی نسبت به زمین به ورودی غیر وارونگر آپ امپ اعمال می‌شود.
از آنجا که این دو مقاومت به صورت شبکه تقسیم ولتاژ در خروجی پیکربندی شده‌اند، بنابراین ولتاژ VB موجود در ورودی غیر وارونگر وابسته به کسری از ولتاژ خروجی است که با نسبت دو مقاومت برگشت داده می‌شود. این کسر فیدبک (β) به صورت زیر محاسبه می‌شود:
توجه داشته باشید که می‌توانیم مقدار β را با جایگزینی مقاومت‌های R1 و R2 با یک پتانسیومتر که لغزنده آن مستقیما به ورودی غیر وارونگر آپ امپ متصل شده است، متغیر کنیم و بدین ترتیب کسر فیدبک را تغییر دهیم.
از آنجا که میزان هیسترزیس مستقیما با مقدار کسر فیدبک ارتباط دارد، بهتر است از ساختن آپ امپ اشمیت تریگر (مقایسه کننده احیا کننده) با مقادیر بسیار اندک هیسترزیس (β کوچک) اجتناب شود، زیرا ممکن است منجر نوسان آپ امپ بین نقاط بالا و پایین، هنگام سوئیچینگ شود.
اگر اکنون یک شبکه فیدبک در اشمیت تریگر بین خروجی و ورودی وارونگر (-) قرار دهیم، می‌توانیم مدت زمان لازم برای تغییر حالت آپ امپ اشمیت را کنترل کنیم. با این کار، همانطور که نشان داده شده، سیگنال ورودی وارونگر آپ امپ اکنون توسط خود آپ امپ از طریق شبکه فیدبک RC خارجی تامین می‌شود.
مدار مونو استابل آپ امپ اولیه
با روشن شدن اولیه (یعنی t=0)، خروجی (Vout) به سمت ریل مثبت (+VCC) یا ریل منفی (-VCC) اشباع می‌شود، زیرا این دو تنها حالت‌های پایدار مجاز توستط آپ امپ هستند. در حال حاضر فرض می‌کنیم که خروجی به سمت ریل تغذیه مثبت (VCC) حرکت کرده است. پس ولتاژ ورودی غیر وارونگر (VB) برابر با +VCC×β خواهد بود که در آن β کسر فیدبک است.
ورودی وارونگر در 0.7V، افت ولتاژ دیود D1 نگه داشته می‌شود، و توسط دیود به 0V (زمین) متصل شده است، که از مثبت‌تر شدن آن جلوگیری می‌کند. بنابراین پتانسیل در VA بسیار کمتر از VB است و خروجی در +VCC پایدار می‌ماند. در همان زمان، خازن (C) تا همان پتانسیل 0.7V شارژ می‌شود و توسط افت ولتاژ دیود در آنجا نگه داشته می‌شود.
اگر یک پالس منفی به ورودی غیر وارونگر اعمال کنیم، ولتاژ 0.7V در VA اکنون بیشتر از ولتاژ در VB می‌شود، زیرا VB اکنون منفی است. بنابراین خروجی آپ امپ پیکربندی شده به صورت اشمیت، به سمت ریل تغذیه منفی (-VCC) اشباع می‌شود. نتیجه این است که پتانسیل VB اکنون برابر با -VCC×β است.
این حالت شبه پایدار موقت باعث می‌شود که خازن از طریق مقاومت فیدبک (R)، در جهت مخالف، یعنی از +0.7V به پایین و به سمت خروجی اشباع شده‌ای که تازه به آن رسیده است، شارژ شود. بایاس دیود (D1) معکوس می‌شود، بنابراین هیچ تاثیری ندارد. خازن (C) با ثابت زمانی τ=RC دشارژ می‌شود.
به محض اینکه ولتاژ خازن در VA به همان پتانسیل VB برسد، یعنی -VCC×β، آپ امپ به حالت پایدار ثابت اصلی خود باز می‌گردد و خروجی مجددا به +VCC اشباع می‌شود.
توجه داشته باشید که با اتمام دوره زمانی و بازگشت خروجی آپ امپ به حالت پایدار خود و اشباع به سمت ریل تغذیه مثبت، خازن سعی می‌کند به صورت معکوس تا +VCC شارژ شود، اما تنها می‌تواند تا حداکثر مقدار 0.7V، که توسط افت ولتاژ مستقیم دیود تعیین شده است، شارژ شود. می‌توانیم این اثر را به صورت گرافیکی نمایش دهیم:
شکل موج‌های مونو استابل با آپ امپ
پس می‌توانیم ببینیم که یک ورودی تریگر پایین رونده، مدار مونو استابل آپ امپ را به حالت ناپایدار موقت خود سوئیچ می‌کند. پس از تاخیر زمانی (T)، در حالی که خازن (C) از طریق مقاومت فیدبک (R) شارژ می‌شود، مدار پس از رسیدن ولتاژ خازن به پتانسیل مورد نیاز، به حالت پایدار طبیعی خود باز می‌گردد.
این دوره تاخیر زمانی (T) پالس مستطیلی در خروجی، زمان حالت ناپایدار، به صورت زیر محاسبه می‌شود:
دوره زمان بندی مونو استابل آپ امپ
اگر دو مقاومت فیدبک تقویت کننده عملیاتی دارای یک مقدار باشند، یعنی R1=R2، معادله بالا نیز ساده می‌شود:
بدیهی است که خازن برای شارژ مجدد از -VCC×β به VD (0.7V) به زمان مشخصی نیاز دارد و بنابراین در این دوره، یک پالس منفی دوم ممکن است یک دوره زمان بندی جدید را شروع نکند.
پس برای اطمینان از عملکرد صحیح مدار مونو استابل آپ امپ با اعمال پالس تریگر بعدی، مدت زمان بین پالس‌های تریگر (Ttotal) باید بیشتر از مجموع دوره زمان بندی (T) و زمان مورد نیاز برای شارژ دوباره خازن (Tcharging) باشد.
زمان بازیابی شارژ به شرح زیر به دست می‌آید:
که در آن: VCC ولتاژ منبع تغذیه، VD افت ولتاژ مستقیم دیود (معمولا حدود 0.6 تا 0.7V) و β کسر فیدبک است.
به منظور اطمینان از اینکه مدار مونو استابل آپ امپ دارای سیگنال تریگر منفی خوبی است که دوره زمان بندی را در لبه جلویی پالس پایین رونده شروع می‌کند و همچنین برای جلوگیری از هرگونه تریگر کاذب مدار در حالت پایدار، می‌توانیم یک مدار مشتق گیر RC به ورودی اضافه کنیم.
مدار مشتق گیر در تولید ضربه خروجی منفی از شکل موج ورودی مربعی یا مستطیلی مفید است. کاهش شدید و ناگهانی ولتاژ آستانه مقایسه کننده به کمتر از مقدار کسر فیدبک (β) آن، باعث تغییر حالت مونو استابل آپ امپ به دوره زمانی خود می‌شود. همانطور که نشان داده شده، یک مدار مشتق گیر با استفاده از شبکه مقاومت-خازن (RC) تشکیل می‌شود.
مدار مشتق گیر RC
مدار مشتق گیر ساده بالا از شبکه مقاومت-خازن (RC) دیگری استفاده می‌کند که ولتاژ خروجی آن، مشتق ولتاژ ورودی نسبت به زمان است. هنگامی که ولتاژ ورودی از 0 به -VCC تغییر می‌کند، خازن شروع به شارژ نمایی می‌کند. از آنجا که ولتاژ خازن VC در ابتدا صفر است، ولتاژ خروجی مشتق گیر ناگهان از 0 به -VCC جهش کرده و یک ضربه منفی تولید می‌کند و سپس با شارژ خازن به صورت نمایی از بین می‌رود.
به طور کلی در یک مدار مشتق گیر RC، مقدار اوج ضربه منفی تقریبا برابر با بزرگی شکل موج تریگر است. همچنین، به عنوان یک قاعده کلی، برای این که مدار مشتق گیر RC ضربه‌های باریک و تیز تولید کند، ثابت زمانی (τ) باید حداقل ده برابر کوچک‌تر از عرض پالس ورودی باشد. بنابراین به عنوان مثال، اگر عرض پالس ورودی 10ms است، پس ثابت زمانی 5RC باید کمتر از 1ms (10%) باشد.
مزیت استفاده از مدار مشتق گیر این است که هر ولتاژ ثابت DC یا سیگنالی با تغییر آهسته مسدود می‌شود و تنها پالس‌های تریگر که به سرعت تغییر می‌کنند می‌توانند دوره زمان بندی مونو استابل را شروع کنند. دیود (D) اطمینان حاصل می‌کند که پالس تریگر که به ورودی غیر وارونگر آپ امپ می‌رسد، همیشه منفی است.
افزودن مدار مشتق گیر RC به مونو استابل آپ امپ اولیه، مدار زیر را به ما می‌دهد:
مدار مونو استابل آپ امپ
مونو استابل آپ امپ، مثال 1
یک مدار مونو استابل آپ امپ با استفاده از اجزای زیر ساخته شده است. R1=30kΩ، R2=30kΩ، R=150kΩ و C=1.0μF. اگر منبع تغذیه آپ امپ 12V باشد و دوره زمان بندی آن با پالس 10ms آغاز شود،
دوره زمان بندی مدار، زمان بازیابی خازن، کل زمان بین پالس‌های تریگر و مقادیر شبکه مشتق گیر را محاسبه کنید. مدار کامل شده را رسم کنید.
داده های مسئله R1=R2=30kΩ، R=150kΩ، C=1.0μF و عرض پالس برابر با ده میلی ثانیه (10ms).
- دوره زمان بندی (T):
2. زمان بازیابی خازن:
3. کل زمان بین پالس‌های تریگر:
4. پالس ورودی 10ms است، بنابراین مدت زمان ضربه منفی 1ms خواهد بود (10%). اگر یک مقدار ظرفیت 1μF را فرض کنیم، مقادیر RC مشتق گیر به صورت زیر محاسبه می‌شود:
مدار نهایی مونو استابل آپ امپ برای مثال بالا به شرح زیر خواهد بود:
مدار نهایی مونو استابل آپ امپ
در این مقاله دیدیم که می‌توان با استفاده از یک تقویت کننده عملیاتی عمومی مانند 741 و چند قطعه اضافی، یک مدارمونو استابل آپ امپ ساخت. اگرچه ممکن است ساخت مدارهای مونو استابل (تک ضرب) با استفاده از اجزای گسسته، گیت‌های منطقی دیجیتال یا تراشه IC 555 رایج‌تر باشد، اما گاهی اوقات برای استفاده در مدارهای آنالوگ، به ساخت مونو استابل با آپ امپ نیاز داریم.
با پیکربندی آپ امپ به صورت اشمیت تریگر با فیدبک مثبت، مدت زمان پالس خروجی با ثابت زمانی مدار زمان بندی RC و همچنین مقدار نسبت شبکه تقسیم ولتاژ مقاومتی تامین کننده فیدبک مثبت، که کمک می‌کند تا مدار ناپایدار باشد، تعیین می‌شود.
