Worldlex Wiki Un multivibrateur est un circuit électronique utilisé pour réaliser divers dispositifs simples à deux états tels que des oscillateurs de relaxation , des temporisateurs , des verrous et des bascules . Le premier circuit multivibrateur, l' oscillateur multivibrateur astable , a été inventé par Henri Abraham et Eugène Bloch pendant la Première Guerre mondiale . Il était constitué de deux amplificateurs à tubes électroniques couplés par un réseau résistance-condensateur . Ils ont nommé leur circuit « multivibrateur » car son signal de sortie était riche en harmoniques . Divers composants actifs peuvent être utilisés pour réaliser des multivibrateurs produisant des signaux similaires riches en harmoniques ; parmi ceux-ci figurent les transistors, les lampes au néon, les diodes tunnel, etc. Bien que les dispositifs couplés soient courants, les oscillateurs multivibrateurs à un seul élément sont également répandus.
Les trois types de circuits multivibrateurs sont :
- Un multivibrateur astable est un circuit instable, qui bascule continuellement d'un état à l'autre. Il fonctionne comme un oscillateur de relaxation .
- Un multivibrateur monostable est un circuit dont l'un des états est stable, tandis que l'autre est instable (transitoire). Une impulsion de déclenchement provoque le passage du circuit à l'état instable. Après ce passage, le circuit revient à l'état stable au bout d'un délai déterminé. Ce type de circuit est utile pour générer une temporisation de durée fixe en réponse à un événement externe. On l'appelle également monostable .
- Un multivibrateur bistable est un circuit stable dans ses deux états. Il peut basculer d'un état à l'autre grâce à une impulsion de déclenchement externe. Ce circuit est également appelé bascule ou verrou. Il peut stocker un bit d'information et est largement utilisé en logique numérique et dans la mémoire des ordinateurs .
Les multivibrateurs trouvent des applications dans divers systèmes nécessitant des signaux carrés ou des intervalles de temps précis. Par exemple, avant l'avènement des circuits intégrés à bas coût , des chaînes de multivibrateurs étaient utilisées comme diviseurs de fréquence . Un multivibrateur libre, dont la fréquence était comprise entre la moitié et le dixième de la fréquence de référence, se synchronisait précisément sur cette dernière. Cette technique était employée dans les premiers orgues électroniques pour assurer l'accord précis des notes de différentes octaves . Parmi les autres applications, on peut citer les premiers systèmes de télévision , où les différentes fréquences de lignes et d'images étaient synchronisées par des impulsions incluses dans le signal vidéo.
Histoire
Le premier circuit multivibrateur, l' oscillateur multivibrateur astable classique (également appelé multivibrateur à couplage par plaque ), a été décrit pour la première fois par Henri Abraham et Eugène Bloch dans la Publication 27 du Ministère de la Guerre français et dans les Annales de Physique 12, 252 (1919) . Produisant un signal carré , contrairement au signal sinusoïdal généré par la plupart des autres circuits oscillateurs de l'époque, son signal de sortie contenait de nombreuses harmoniques supérieures à la fréquence fondamentale , utilisables pour l'étalonnage des circuits radio haute fréquence . C'est pourquoi Abraham et Bloch l'ont nommé multivibrateur . Il est un précurseur du trigger Eccles-Jordan , dérivé de ce circuit un an plus tard.
Historiquement, la terminologie relative aux multivibrateurs a été quelque peu variable :
- 1942 – multivibrateur implique astable : « Le circuit multivibrateur (Fig. 7-6) est quelque peu similaire au circuit bascule, mais le couplage de l' anode d'une valve à la grille de l'autre se fait uniquement par un condensateur, de sorte que le couplage n'est pas maintenu en régime permanent. »
- 1942 – multivibrateur comme circuit bascule particulier : « Ces circuits étaient connus sous le nom de circuits « déclencheurs » ou « bascules » et étaient d’une très grande importance. Le plus ancien et le plus connu de ces circuits était le multivibrateur. »
- 1943 – bascule comme générateur d'impulsions monostables : « ...une différence essentielle entre la bascule à deux tubes et le multivibrateur est que la bascule a l'un des tubes polarisé à la coupure. »
- 1949 – monostable comme bascule : « Les multivibrateurs monostables ont également été appelés « bascules ».
- 1949 – monostable comme bascule : « … une bascule est un multivibrateur monostable et le multivibrateur ordinaire est un multivibrateur astable. »
Astable
Source :
Un multivibrateur astable est constitué de deux étages d'amplification reliés par une boucle de rétroaction positive via deux réseaux de couplage capacitif-résistif. Les éléments d'amplification peuvent être des transistors à jonction ou à effet de champ, des tubes à vide, des amplificateurs opérationnels ou d'autres types d'amplificateurs. La figure 1, ci-dessous à droite, illustre des transistors bipolaires à jonction (BJT) .
Le circuit est généralement représenté sous forme symétrique, par paires croisées. Les deux bornes de sortie, définies au niveau des dispositifs actifs, présentent des états complémentaires : l’une est à tension élevée, l’autre à tension basse, sauf lors des brèves transitions d’un état à l’autre.
Fonctionnement d'un multivibrateur astable BJT
Le circuit possède deux états astables (instables) qui alternent à vitesse de transition maximale grâce à une rétroaction positive « accélératrice ». Ce phénomène est mis en œuvre par des condensateurs de couplage qui transmettent instantanément les variations de tension, la tension aux bornes d'un condensateur ne pouvant varier brusquement. Dans chaque état, un transistor est passant et l'autre bloqué. Ainsi, le condensateur initialement chargé se décharge lentement (se recharge en sens inverse), convertissant le temps en une tension variant exponentiellement. Simultanément, le condensateur initialement déchargé se recharge rapidement (le premier condensateur sert de condensateur de temporisation et le second se prépare à jouer ce rôle dans l'état suivant). Le fonctionnement du circuit repose sur le fait que la jonction base-émetteur polarisée en direct du transistor bipolaire passant permet la recharge du condensateur.
État 2 (Q1 est éteint, Q2 est allumé)
Le condensateur C2 est maintenant complètement chargé (dans l'état 1 précédent) à la tension d'alimentation V, la polarité étant indiquée sur la figure 1. Q2 est passant et relie l'armature positive droite de C2 à la masse. Son armature négative gauche étant connectée à la base de Q1, une tension négative maximale (-V ) est appliquée à la base de Q1, le maintenant bloqué . C2 commence à se décharger (charge inverse) via la résistance de base R3, de sorte que la tension de son armature gauche (et à la base de Q1) augmente de -V vers + V . Simultanément, C1, initialement déchargé et même légèrement chargé à 0,6 V (dans l'état 1 précédent), se recharge rapidement via la résistance de collecteur R1 et la jonction base-émetteur polarisée en direct de Q2 (R1 étant plus faible que R3, C1 se recharge plus vite que C2). Ainsi, C1 rétablit sa charge et se prépare pour le prochain état 1 où il agira à nouveau comme un condensateur de réglage du temps...et ainsi de suite... (les explications suivantes sont une copie miroir de la deuxième partie de l'état 1).
Fréquence du multivibrateur
Dérivation
La durée de l' état 1 (sortie basse) dépend de la constante de temps R₂C₁, car elle est liée à la charge de C₁, et la durée de l'état 2 (sortie haute) dépend de la constante de temps R₃C₂ , car elle est liée à la charge de C₂. Comme ces durées ne sont pas nécessairement identiques, un rapport cyclique asymétrique est facilement réalisable.
La tension aux bornes d'un condensateur dont la charge initiale est non nulle est :
Juste avant que Q2 ne devienne conducteur, la borne gauche de C2 est à la tension base-émetteur de Q1 (V<sub> BE_Q1</sub> ) et sa borne droite à V<sub> CC</sub> ( on utilise « V<sub> CC</sub> » au lieu de « + V » pour simplifier la notation). La tension aux bornes de C2 est alors V <sub>CC </sub> - V <sub> BE_Q1</sub> . Dès que Q2 devient conducteur, la borne droite de C2 est à 0 V, ce qui amène sa borne gauche à 0 V - ( V <sub> CC</sub> - V <sub>BE_Q1</sub> ), soit V <sub>BE_Q1</sub> - V<sub> CC </sub>. À partir de cet instant, la borne gauche de C2 doit se recharger jusqu'à V<sub> BE_Q1 </sub> . La durée de cette recharge correspond à la moitié du temps de commutation du multivibrateur (l'autre moitié étant due à C1). Dans l'équation de charge du condensateur ci-dessus, en substituant :
- V BE_Q1 pour
- ( V BE_Q1 - V CC ) pour
- V CC pour
résultats :
La résolution pour t donne :
Pour que ce circuit fonctionne, V CC >> V BE_Q1 (par exemple : V CC = 5 V, V BE_Q1 = 0,6 V), l’équation peut donc être simplifiée comme suit :
- ce qui peut se simplifier en :
La période de chaque moitié du multivibrateur est donc donnée par
La période totale d'oscillation est donnée par :
où...
- f est la fréquence en hertz .
- R2 et R3 sont les valeurs des résistances en ohms.
- C1 et C2 sont les valeurs des condensateurs en farads.
- T est la période (dans ce cas, la somme des durées de deux périodes).
Dans le cas particulier où
- t 1 = t 2 (cycle de service de 50 %)
- R² = R³
- C1 = C2
Forme de l'impulsion de sortie
La tension de sortie présente une forme qui s'apparente à un signal carré. Elle est étudiée ci-dessous pour le transistor Q1.
À l' état 1 , la jonction base-émetteur de Q2 est polarisée en inverse et le condensateur C1 est déconnecté de la masse. La tension de sortie du transistor Q1, initialement passant à l'état haut, chute rapidement car cette sortie à faible résistance est soumise à une charge à haute impédance (le condensateur C1, connecté en série, et la résistance de base R2, de haute résistance).
À l' état 2 , la jonction base-émetteur de Q2 est polarisée en direct et le condensateur C1 est relié à la masse. La tension de sortie du transistor Q1, initialement bloqué, varie exponentiellement de faible à forte, car cette résistance de sortie relativement élevée est compensée par une charge de faible impédance (le condensateur C1). Il s'agit de la tension de sortie du circuit intégrateur R1C1 .
Pour obtenir le signal carré souhaité, les résistances de collecteur doivent être faibles. Les résistances de base doivent être suffisamment faibles pour que les transistors saturent à la fin de la phase de restauration (R<sub> B</sub> < βR<sub> C </sub> ).
Mise sous tension initiale
Lors de la mise sous tension initiale du circuit, aucun des deux transistors n'est conducteur. Cependant, cela signifie qu'à ce stade, leurs tensions de base sont élevées et qu'ils ont donc tendance à s'amorcer. De légères asymétries inévitables font que l'un des transistors s'amorce en premier. Le circuit se retrouve alors rapidement dans l'un des états décrits précédemment, et des oscillations se produisent. En pratique, des oscillations apparaissent systématiquement pour des valeurs usuelles de R et C.
Cependant, si le circuit est maintenu temporairement avec les deux bases à l'état haut pendant une durée supérieure à celle nécessaire à la charge complète des deux condensateurs, il restera dans cet état stable, avec les deux bases à 0,60 V, les deux collecteurs à 0 V et les deux condensateurs chargés en sens inverse à −0,60 V. Ceci peut se produire au démarrage sans intervention extérieure, si R et C sont tous deux très faibles.
diviseur de fréquence
Un multivibrateur astable peut être synchronisé sur une chaîne d'impulsions externe. Une seule paire de transistors permet de diviser une référence par un rapport élevé ; cependant, la stabilité de cette technique est faible en raison de la variabilité de l'alimentation et des composants du circuit. Un rapport de division de 10, par exemple, est facile à obtenir mais peu fiable. Des chaînes de bascules bistables offrent une division plus prévisible, au prix d'un plus grand nombre de transistors.
composants de protection
Bien que non essentielles au fonctionnement du circuit, les diodes montées en série avec la base ou l'émetteur des transistors sont nécessaires pour éviter le claquage inverse de la jonction base-émetteur lorsque la tension d'alimentation dépasse la tension de claquage V<sub> eb </sub>, généralement de l'ordre de 5 à 10 volts pour les transistors au silicium d'usage courant. Dans une configuration monostable, seul un des transistors nécessite une protection.
Multivibrateur astable utilisant un amplificateur opérationnel
On suppose que tous les condensateurs sont initialement déchargés. La tension de sortie V<sub> o</sub> de l' amplificateur opérationnel au nœud c est initialement de +V <sub>sat</sub> . Au nœud a , une tension de +βV<sub> sat</sub> est générée par division de tension.
Si V <sub>C</sub> est la tension aux bornes du condensateur et si, d'après le graphique, la période de l'onde formée au niveau du condensateur et celle de la sortie correspondent, alors la période peut être calculée de cette manière :
À t = T1 ,
Après résolution, nous obtenons :
Nous choisissons des valeurs pour R, C et β afin d'obtenir un signal carré symétrique. Ainsi, T1 = T2 et la période totale T = T1 + T2 . La période du signal carré généré en sortie est donc :
Monostable
Dans le multivibrateur monostable, un réseau résistif-capacitif (C₂ - R₃ sur la figure 1) est remplacé par un réseau résistif (une simple résistance). Le circuit peut être considéré comme un demi- multivibrateur astable . La tension de collecteur de Q₂ constitue la sortie du circuit (contrairement au circuit astable, elle présente un signal carré parfait puisque la sortie n'est pas chargée par le condensateur).
Lorsqu'il est déclenché par une impulsion d'entrée, un multivibrateur monostable bascule temporairement dans son état instable, puis revient à son état stable. La durée de cet état instable est donnée par t = ln(2) R²/C¹. Si l'application répétée d'une impulsion d'entrée maintient le circuit dans l'état instable, on parle de multivibrateur monostable redéclenchable . Dans le cas contraire , il s'agit d'un multivibrateur non redéclenchable .
Dans le circuit de la figure 2, à l'état stable, Q1 est bloqué et Q2 est passant. Le basculement est obtenu par un signal d'entrée nul ou négatif appliqué à la base de Q2 (le basculement peut également être obtenu par un signal d'entrée positif appliqué à la base de Q1 via une résistance). Le circuit passe alors dans l'état 1 décrit précédemment. Après un certain temps, il retourne à son état initial stable.
Monostable utilisant un amplificateur opérationnel
Ce circuit permet de générer une impulsion de sortie unique de durée ajustable en réponse à un signal de déclenchement. La largeur de cette impulsion dépend uniquement des composants externes connectés à l'amplificateur opérationnel. Une diode D1 limite la tension aux bornes du condensateur à 0,7 V lorsque la sortie est à +Vsat. Supposons qu'à l'état stable, la sortie Vo = +Vsat. La diode D1 limite la tension du condensateur à 0,7 V. La tension à l'entrée non inverseuse, via le pont diviseur de tension, est alors de +βVsat. Un signal de déclenchement négatif d'amplitude V1 est appliqué à l'entrée non inverseuse, de sorte que le signal efficace à cette entrée soit inférieur à 0,7 V. La tension de sortie passe alors de +Vsat à -Vsat. La diode se polarise en inverse et le condensateur se charge exponentiellement jusqu'à -Vsat à travers la résistance R. La tension à l'entrée non inverseuse, via le pont diviseur de tension, est alors de -βVsat. Après un certain temps, le condensateur se charge à une tension supérieure à -βVsat. La tension sur l'entrée non inverseuse est désormais supérieure à celle sur l'entrée inverseuse, et la sortie de l'amplificateur opérationnel repasse à +Vsat. Le condensateur se décharge à travers la résistance R puis se recharge à 0,7 V.
La largeur d'impulsion T d'un multivibrateur monostable se calcule comme suit : La solution générale pour un circuit RC passe-bas est :
où
à
après simplification,
où
Si
bistable
Dans le multivibrateur bistable, les deux réseaux résistifs-capacitifs (C 1 -R 2 et C 2 -R 3 dans la figure 1) sont remplacés par des réseaux résistifs (simplement des résistances ou un couplage direct ).
Ce circuit de verrouillage est similaire à un multivibrateur astable, à la différence qu'il n'y a pas de temps de charge ni de décharge, du fait de l'absence de condensateurs. Ainsi, lorsque le circuit est activé, si Q1 est conducteur, son collecteur est à 0 V. Par conséquent, Q2 est bloqué. Il en résulte une tension supérieure à la moitié de + V volts appliquée à R4, ce qui induit un courant dans la base de Q1 et le maintient conducteur. Le circuit reste ainsi stable dans un seul état en permanence. De même, si Q2 est activé en premier, il reste conducteur en permanence.
La commutation d'état s'effectue via les bornes Set et Reset connectées aux bases. Par exemple, si Q2 est passant et que Set est brièvement mis à la masse, Q2 se bloque et Q1 devient passant. Ainsi, Set sert à activer Q1 et Reset à le désactiver.