Astable y Monoestable

INFORME PREVIO DE ASTABLES Y MONOESTABLES

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL

CALLAO

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

E. P. INGENIERÍA ELECTRÓNICA

ASIGNATURA: SISTEMAS DIGITALES

HORARIO/TURNO: 11:00-14:00/90G

PROFESOR: UTRILLA SALAZAR, DARIO

INTEGRANTE: RUIZ RODRIGUEZ OMAR ARTEMIO 1113220574

ASTABLES Y MONOESTABLES LAB. SISTEMAS DIGITALES

INFORME PREVIO DE ASTABLES Y MONOESTABLES

1. Describir el concepto de circuito multivibrador astable, analice su

funcionamiento y mencione los parámetros característicos de los pulsos y analizar los circuitos utilizados multivibradores astables. Astable construido por transistores Los multivibradores astables son circuitos electrónicos generadores de ondas cuadradas sin necesidad de más excitación que la propia fuente de alimentación. Su frecuencia de salida depende de la carga y descarga de condensadores. Estas cargas y descargas son provocadas por la conmutación de sendos transistores. Si el circuito de la gráfica se divide en dos, se puede observar que es simétrico desde el punto de vista geométrico, si hacemos que

1 2 1 4 2 3 1 2, ,T T R R R R y C C , la forma de onda de cualquiera de las

salidas será simétrica, es decir, la duración de ambos niveles de tensión de cada ciclo será idéntica.

La frecuencia de salida viene determinada por los valores 1 2 2 3, ,C C R y R ;

si se rompe la igualdad, expuesta anteriormente, entre dichos componentes, la forma de onda de salida será asimétrica. Funcionamiento: Es imposible que ambas partes del circuito sea exactamente iguales; esto

provoca que uno cualquiera de los transistores, por ejemplo 2T , conduzca

más rápidamente que el otro 1T , esto implica que la tensión del colecto 20v

sea ligeramente menor que 10v si simultáneamente suponeos que 1 2C y C

Multivibrador astable básico


son cortocircuitos, una disminución de 20v lleva una implícita disminución e

la polarización de base de 1T , por lo que aumenta la tensión del colector,

que a su vez aumentara la polarización de base de 2T , acelerándolo un

más el proceso descrito anteriormente hasta la saturación de 2T y el corte

de 1T .

Hemos considerado 1 2C y C como cortocircuito, esto es posible debido a

que el proceso expuesto anteriormente, que lleva 2T a saturación y 1T a

corte, se produce muy rápidamente para asegurar transiciones rápidas de corte a saturación, como la capacidad de dichos condensadores es relativamente elevada, su respuesta a cambios bruscos de tensión en sus extremos es como si de cortocircuitos se tratara.

Una vez alcanzada la saturación de 2T y 1T en corte, 1C se empezara a

cargar a través de 2 1T y R , como el punto de unión de 1 2C y R esta

conectado a la base de 2T , llegara un momento en que la tensión en la

base de 2T es insuficiente para que 2T permanezca saturado, con lo que al

conducir menos tensión que 2ov aumentara, iniciando el proceso descrito

anteriormente pero en sentido contrario, es decir, llevando 1T a saturación

y 2T a corte.

Mientras que 1C adquiría carga para provocar tal cambio, 2C se va

descargando. Lo expuesto hasta este momento es el proceso de arranque de la oscilación

donde 1C estaba prácticamente descargado, 2C estaba totalmente cargado,

1T estaba en corte, 2T estaba en saturación.

Momentáneamente la base de 1T se encuentra sometida a un potencial de

CCV aproximadamente respecto a su masa. Obsérvese la polaridad con

A) Descarga de C2 B) Carga de C1 C) Carga de C3 D) Descargar de C1


que se habla cargando 2C , al conectar su terminal positivo a la masa a

través de 2T al inicio de la carga, en la base de 1T se reflejan CCV voltios

aproximadamente que se la carga de 2C . A partir del instante en que 2T

pasa a saturación, 2C se empieza a descargar, tardará un tiempo:

2 2 30.69t C R

En un tiempo de menor duración se habrá cargado 1C , ya que:

1 2 1 3C C y R R

Una vez que 2C se ha descargado totalmente empezara a cargarse en

sentido contrario, esto es el punto de unión de 2 3C y R será ligeramente

positivo, por lo que también se aplicara polarización directa a la base 1T ,

que provocara el basculamiento del circuito y que sitúa a 1T en saturación y

a 2T en corte, comenzando entonces 2C cargarse a través de su circuito de

carga y 1C a descargarse a través de 2R y 1T de forma análoga al proceso

anterior, la base de 2T se encuentra en el instante de la conmutación

sometida a un potencial negativo próximo a CCV que va disminuyendo

según se descarga 1C ; lo hará en un tiempo:

1 2 10.69t R C

Formas de onda de un multivibrador astable


Una vez extinguida la carga de 1C , este adquiere una pequeña carga en

sentido contrario que hará de nuevo conmutar al circuito, pasando 2T a

saturación y 1T a corte, con lo que se inicia un nuevo ciclo.

Como 1 2 2 3C C y R R , tendremos que:

2 1 2 12(0.69 ) 1.38T R C R C

Esta expresión solo es válida en el caso de circuitos simétricos, en caso contrario la duración de un ciclo será:

1 2 2 1 3 20.69( )T t t R C R C

Astable construido por amplificadores operacionales El par RC provoca las transiciones de opamp gracias a la carga y descarga del condensador. EL divisor de tensión de la parte inferior establece los puntos de conmutación de comparador, que son los límites de carga y descarga del condensador.

El opamp adopta dos estados de salida, salV . En estado alto el

condensador se carga hasta el punto de conmutación superior, CSV . Desde

este valor de salida C se descarga hasta el punto de conmutación inferior,

CiV estando la salida en estado bajo.

Para comenzar el análisis es interesante observar en primer lugar que la tensión en el terminal no inversor del opamp vale en todo momento:

Circuito multivibrador de oscilación libre (astable) basado en opamp de propósito general ideal.


Dinámica estacionaria del circuito.

0 2 1

1 2

refV R V RV

R R

2

1

2ln 1

(1 )H

ref

sal

RT

VR

V

Esta expresión se obtiene aplicando el principio de superposición en el terminal no inversor del opamp. Los tiempos involucrados son tres y proporcionales a la constante de tiempo del circuito RC . El primero es el que tarda en alcanzar la oscilación en régimen permanente, y no interviene en el cálculo del periodo.

1 21

1

1ln

1ref

sal

R Rt

V R

V

Ahora planteamos las expresiones de los tiempos de estados bajo y alto:

2 2

1 1

2 2ln 1 ln 1

1 1

l H

ref ref

sal sal

R RT T

V VR R

V V


Astable construido con timer 555 En el modo de funcionamiento astable opera como un reloj, produciendo oscilaciones entre dos estados llamado pues multivibrador de oscilación libre. En la figura se muestra las señales más significativas medidas en el

circuito. El valor de la tensión de salida es ligeramente menor que CCV y la

tensión de estado bajo es aproximadamente de 0.1V .

Dinámica estacionaria del circuito astable basado en el temporizador integrado 555. Las señales

de activación del biestable R-S solo cambian en las transiciones.

Temporizador 555 en modo astable o multivibrador de oscilación libre. Cada triangulo representa un

comparador. Entre corchetes se sitúan los terminales al exterior. El terminal [1], de tierra, se omite por

simplicidad. A la derecha figuran sus tres elementos externos, las resistencias RA, RB y el condensador

C.


El funcionamiento es simple, mientras a tensión en el condensador esté

comprendida entre 1 23 3CC CCV y V , las señales R (reset) y S (set) son

cero y no provocan cambios en la salida. Cuando se alcanzan 23 CCV , la

salida de 1C , la señal R pasa a estado alto y la salida negada del biestable

se pone a 1, con lo que la salida [3] se pone a cero. Como la salda negada

es 1, el transistor T entra en saturación ( 0.1 0.2ó V entre [7] y tierra) y C

se descarga por BR y la resistencia dinámica de T (prácticamente nula), la

constante de tiempo de descarga es BR C . Planteando la ecuación de la

descarga de C entre los instantes de tiempo que nos convengan

(conmutaciones 2 13 3CC CCV y V ), se logra obtener el tiempo de estado

bajo:

( ) ( )

2 2( ) [ (0) ( )] 0 [ 0]

3 3B B

t tt

R C R CRCC t C C C C t CC CCV V V V e V V e V e

1 2* *ln 2

3 3

l

B

T

R C

CC CC l BV V e T R C

Análogamente se plantea el cálculo del tiempo de estado alto:

( )2 1( ) *ln 2

3 3

H

A B

T

R R C

CC CC CC CC H A BV V V V e T R R C

El periodo del multivibrador es la suma de ambos tiempos:

( 2 )* *ln 2l H A BT T T R R C

2. Describir el concepto de circuito multivibrador monoestable, analice

su funcionamiento y describa los tipos de monoestables y sus características, así como los circuitos monoestables. Este circuito se caracteriza por presentar un único estado estable en régimen permanente, y mediante una excitación externa se genera una perturbación que lo aparta de este estado estable de lo cual el circuito evoluciona en un estado no estable que provoca un cambio en la salida y al cabo de un cierto tiempo predeterminado volver al estado estable. En régimen permanente el circuito permanece en el estado estable. La conmutación al estado semiestable es forzada mediante una excitación externa adecuada, en su presencia el circuito inicia un régimen transitorio para una vez transcurrido el tiempo de duración del estado no estable retorna al estado estable. El tiempo que el circuito permanece en el estado no estable, comúnmente denominado periodo semiestable, queda


determinado por los valores de algunos elementos pasivos que componen el circuito. Circuito monoestable con transistores El circuito monoestable más sencillo es el que se muestra en la figura. Se implemente con dos transistores acoplados por colector que en el estado estable están en corte y en conducción respectivamente. Cuando se conecta la alimentación del circuito, independientemente de algún transistor inicial donde ambos transistores conducen uno de los transistores (en este

caso 2Q ) entra en conducción más rápidamente y provoca el corte del otro

transistor.

Circuito monoestable con amplificadores operacionales Los circuitos monoestables o temporizadores de estado único generan un pulso de duración finita y dependiente de los componentes que rodena al amplificador operacional (resistencias y condensadores). El pulso generado se denomina estado temporizado. El pulso se emplea para excitar otro circuito o un instrumento electrónico. Por ejemplo para sincronizar la actuación de dos equipos el pulso que emitiera el primero serviría para iniciar el segundo. Estos circuitos presentan pues dos estados. En el estado estable, el circuito no recibe excitación que provoque la transición al estado temporizado. Cuando el circuito recibe como entrada un pulso, pasa al estado inestable o temporizado. Por si solo el circuito abandona este estado regresando al estado estable que es el que presenta por defecto. Una red RC es la que se encarga de provocar el regreso al estado estable o por defecto. En concreto será un condensador conectado a uno de los terminales de entrada a un amplificador operacional comparador, el que actué como elemento de restablecimiento del estado estable.

Circuito monoestable acoplado por colector.


El análisis del circuito comienza deduciendo el estado estable o por defecto que presenta, antes de pulsar “ S ”. Este se da con la salida a nivel bajo, en

efecto, sí 0 ,CC CCV V V V . Por otra parte, si la salida está en estado

bajo, el diodo D está conduciendo (en el ánodo tiene 0V y en el cátodo

CCV , a través de una resistencia). Esta situación es coherente con la

tensión de 0V que acumula inicialmente el condensador. Con todo, la tensión diferencial del comparador al inicio es muy negativa, con lo que la salida es el estado bajo:

20

1 2

0 0c

d cc cc

v

Rv v v V v V

R R

Este era nuestro punto de partida, por lo que es coherente esta situación inicial. Veamos cual es la evolución del circuito (su dinámica) al pulsar " "S

(cerrar y abrir). Cuando esto sucede, la tensión diferencial del comprador se anula y el estado bajo que estaba por defecto se pasa a alto, que es el estado temporizado. En esta situación e salida en estado alto, la tensión diferencial del comparador vale:

20

1 2

0d CC c CC

Rv V v v V

R R

La tensión en el condensador va creciendo y llegará un momento en que la tensión diferencial se anule y el circuito pase de nuevo al estado bajo. La

Circuito temporizador genérico de estado único basado en amplificador operacional .D es un diodo ideal,

S es un pulsador; para accionar el circuito se cierra y se abre. S por defecto está abierto.


conmutación hasta este estado, que ya se mantiene, se produce en el instante en que la tensión del condensador vale:

2

1 2

c CON CC

Rv V V

R R

El ancho del impulso viene dado por:

2

1

* *ln 1R

T R CR

La tensión en el condensador evolucionara hacia el valor inicial transcurrido, el llamado tiempo de recuperación del circuito. EN nuestro caso, como el condensador se carga a cero a través del diodo y de una resistencia, predomina la resistencia dinámica del diodo y la constante del tiempo de transición al estado inicial de reposo es prácticamente cero. Durante este tiempo no se pueden efectuar nuevos disparos. Puesto que el disparo único genera una onda rectangular que se inicia en un instante de tiempo definido y por tanto puede utilizarse para excitar otras partes del equipo u otros circuitos, este circuito recibe el nombre de circuito de disparo (igual que en el ejemplo del apartado anterior). Además, como provoca una transición rápida a su estado de reposo, un tiempo T después del disparo de entrada, se denomina también circuito retardador de tiempo (como vimos antes). A continuación se estudian los temporizadores integrados. Independientemente de su tecnología de fabricación, estos circuitos se fundamentan en la introducción de biestables.

Evolución de las señales del temporizador de disparo único o

generador de impulsos.


Circuito monoestable con timer 555 En este caso el circuito entrega a su salida un solo pulso de un ancho establecido por el diseñador. EL esquema de conexión es el que se muestra. La fórmula para calcular el tiempo de duración (tiempo en el que la salida está a nivel alto) es:

ln(3)* *

1,1* *

T R C

T R C

3. De los manuales técnicos obtener las características de los IC 555, 556, 7555, 74121, 74122, 74123, 74221, CD 4047B; que realizan la función de multivibradores, analice su tabla de verdad y funcionamiento IC 555 Característica: -Reemplazo directo para 555 / 555SE NE . -El tiempo de microsegundos por horas. -Funciona tanto en modo astable y monoestable. -Ciclo de trabajo ajustable. -Producción y suministro TTL compatible.

-Estabilidad de temperatura, mejor que 0.005%/ C .

Aplicaciones: -Tiempo de precisión. -Generación de pulso. -Tiempo secuencial. -Generación de retardo. -Pulso de amplitud modulada. -Generador de rampa lineal.

Circuito monoestable con timer 555


IN556 Características: -Frecuencia máxima e funcionamiento superior a 500 KHz. -Tiempo de microsegundos. -Opera tanto en astable y monoestables. -Alta corriente de salida con fuente o sumidero 200mA . -Ciclo de trabajo regulable. -TTL compatible. -Temperatura de estabilidad de 0.005%/ C . Descripción: El circuito de temporización monolítica de doble 556NE es un controlador altamente estable capaz de producir precisos retardos de tiempo o de oscilación. En el modo de retardo de tiempo de operación, el tiempo se controla con precisión por una resistencia y un condensador externo. Para un estado de operación como un oscilador, la frecuencia de funcionamiento es libre y el ciclo de trabajo son a la vez con precisión controlados con dos resistencias externas y un condensador.

IC 555

IN 556


IC 7555 Características: -Equivalente, exacto en la mayoría de las aplicaciones para / 555NE SE .

-Baja corriente de alimentación (80 A ).

-Extremadamente bajo gatillo, el umbral y as corriente de reposición ( 20pA )

-Operación de alta velocidad (500KHz garantizado). -Rango de tensión de alimentación de funcionamiento ancha garantizada 3V a 16V respecto a las temperaturas de automoción completo. -Función de reinicio normal, sin crowbarring de suministro durante la transición de salida. -Se puede utilizar con elementos de temporización de alta impedancia que el / 555NE SE por constantes de tiempo más largos.

-El tiempo de microsegundos. -Funcionamiento tanto en modo astable y monoestable. -Ciclo de trabajo ajustable. -Estabilidad de la temperatura típica de 0.005%/ C a 25 C . -Salidas de Carril a Carril. Aplicaciones: -Sincronización de precisión. -Generación de impulsos. -Sincronización secuencial. -Generación de retardo. -Modulación de ancho de pulso. -Pulso de posición y modulación. -Falta de detector de impulsos. IC 74121 Descripción: El 74121DM es un multivibrador monoestable que ofrece tanto flanco positivo y negativo de la activación de complemento de salida. Una resistencia de temporización 2Kohm interno se proporciona por conveniencia. El diseño minimiza el número de componentes y problemas de diseño. Este dispositivo se puede utilizar como un único condensador externo. Las

IC 7555


entradas A son de transición desencadenante activa baja y la entrada B es activa en alto.

Una alta inmunidad al ruido CCV típicamente de 1.5V también es

proporcionada por el circuito interno en la etapa de entrada. Características: -Se activa de la transición alta o baja. -Ancho de pulso variable entre 30ns y 28s . -Fluctuación libre, entrada de Schmitt-tigger. -Excelente a la inmunidad del ruido, típicamente 1.2V .

-Ancho de pulso estable hasta el 90% del ciclo de trabajo.

-Compensación de las variaciones de CCV y temperatura.

-Diodos de fijación de entrada. Tabla de funciones y composición de dicho integrado:

IC 74122 e IC 74123 Descripción: En DC activa multivibradores con función de control de ancho de pulso por tres métodos. La anchura básica de impulsos esta programa por la selección de la resistencia externa y los valores de capacitancia. El 74LS122 tiene una resistencia de temporización interna que permite los circuitos que se utilizan con solo un condensador externo. Una vez activado, el ancho de pulso básico puede ser extendido por relanzar la cerrada de bajo nivel activo ( A ) o de alto nivel activo ( B ). Características:

-Compensado para CCV y temperatura variable.

-Pulsos de salida muy largo, hasta 100% ciclo de trabajo.

-Resistencias de tiempo interno sobre 74 122LS .


Composición del IC 74122 e IC 74123

Tabla de funciones del IC 74122 Tabla de funciones del IC 74123

Tabla de función IC 74122 e IC 74123:

IC 74221 Descripción: Cada multivibrador cuenta tanto negativo ( A ) y un positivo ( B ),. Puede ser utilizado como una inhibición. También se incluye una entrada clara cuando se toma bajo restablece el tiro. El 74 221HD HC puede ser activado en la

transición positiva, mientras que A se mantiene en baja y B se mantiene en alta. Este dispositivo es un no volver a disparar, por lo que no se puede volver a activar hasta los tiempos del pulso de salida OUT .

La ecuación de impulso de salida es simplemente:

0.7* *W EXT EXTt R C


Tabla de funciones del IC 74221 Composición del IC 74221

Características: -Operación de alta velocidad. -Alta corriente de salida.

-Tensión de funcionamiento: 2 6CCV a V .

-Baja corriente de entrada. Tabla de funciones y composición de dicho integrado:

CD4047B Descripción: Básicamente el circuito integrado CMOS CD4047 es un multivibrador que puede ser utilizado como astable o monoestable. Para la implementación de uno o de otro circuito utiliza tan solo una capacidad con una resistencia, haciendo realmente sencillo el cálculo de la frecuencia de salida. El mismo posee tres salidas de frecuencia: la frecuencia principal (pin 13) y dos salidas complementarias, una negada y la otra normal, estas dos son divisores de frecuencias, es decir, son salidas equivalentes a la mitad de la salida principal. La principal ventaja de este oscilador, es que su ciclo de trabajo es constante del 50%, con una oscilación muy estable. Admite un amplio rango de tensiones de alimentación desde 3 V hasta 15V y permite obtener frecuencias de oscilación de hasta 1 MHz.

4. Cuál es la diferencia entre un astable y monoestable; así como la diferencia entre un monoestable redisparable y no redisparable; muestre circuitos prácticos para explicarlos. Astable También conocido como oscilador de carrera libre, es un circuito capaz de cambiar de un estado a otro sin intervención externa, al ser conectado,


Diferencia entre astable y monoestable

automáticamente comienza su ciclo permaneciendo en un estado por cierto tiempo, cambiando al otro estado y permaneciendo en este el mismo tiempo que el estado anterior, Es decir, tiene un ciclo activo del 50%. Un buen ejemplo de esto es circuito integrado 555, conectado como multivibrador astable, con el cuál puede lograrse este efecto. Monoestable Este circuito tiene la característica de que necesita de un pulso externo para cambiar de estado, pasado un período de tiempo, este regresa al estado anterior, es imposible mantener el estado activo indefinidamente. A este circuito comúnmente se le conoce como "Timer", Un buen ejemplo de esto, es nuevamente el circuito integrado 555, conectado como Multivibrador Monoestable.

Monoestable redisparable: Es aquel que si recibe la generación de un pulso, un nuevo flanco que habilite el disparo del mismo, a partir de ese momento, el puso

se alargara un tiempo WT más igual al definido por los componentes

externos R y C y la tensión DDV (si es CMOS). Digamos que se tiene

un temporizador de 4 ms, pero a los 2 ms de iniciado el pulso se realiza un nuevo disparo; la duración que se obtiene es de 2 + 4 = 6 ms

Monoestable no redisparable:

Es aquel que su luego de recibir a su entrada una transición que genere un pulso (por ejemplo un flanco ascendente), si durante la duración del mismo se produce un flanco del mismo tipo (para el ejemplo, también ascendente) la salida del monoestable lo ignorara y

terminara dicho pulso en el tiempo definido por ,R C y DDV (si es

http://www.forosdeelectronica.com/tutoriales/555.htm

http://www.forosdeelectronica.com/tutoriales/555.htm


Diferencia entre monoestable redisparable y no redisparable

CMOS). Es decir, en el ejemplo anterior ignoraría el segundo disparo y se obtendría un pulso de 4 ms solamente. El 74 221LS es un ejemplo de este tipo de monoestable.

5. Analice el funcionamiento del cristal de cuarzo; investigar sus características, ventajas y desventajas. Analice circuitos prácticos generadores de pulsos con cristal de cuarzo. El cristal de cuarzo es utilizado como componente de control de la frecuencia de circuitos osciladores convirtiendo las vibraciones mecánicas en voltajes eléctricos a una frecuencia especifica. Esto ocurre debido al efecto “piezoeléctrico”. La piezoelectricidad es electricidad creada por una presión mecánica. En un material piezoeléctrico, al aplicar una presión mecánica sobre un eje, dará como consecuencia la creación de una carga eléctrica a lo largo de un eje ubicado en un ángulo recto respecto al de la aplicación de la presión mecánica. En algunos materiales, se encuentra que aplicando un campo eléctrico según un eje, produce una deformación mecánica según otro eje ubicado a un ángulo recto respecto al primero. Por las propiedades mecánicas, eléctricas y químicas, el cuarzo es el material más apropiado para fabricar dispositivos con frecuencia bien controlada.


Frecuencia fundamental vs. Frecuencia de sobretono Esto es de importancia cuando se especifica un cristal. Cuando se incrementa la frecuencia solicitada, el espesor del cuerpo del cristal disminuye y por supuesto existe un límite en el proceso de fabricación. Alrededor de 30MHz , el espesor de la placa del cristal comienza a ser muy

delgada. Debido a que el corte “ AT ” resonará a números enteros impares múltiplos de la frecuencia fundamental, es necesario especificar el orden del sobretono deseado para cristales de altas frecuencias. Potencia de trabajo (Drive level) Es la potencia disipada por el cristal. Esta normalmente especificada en micro o mili vatios, siendo un valor típico 100 W .

Tolerancia en la frecuencia La tolerancia en la frecuencia se refiere a la máxima desviación permitida y se expresa en partes por millón ( PPM ), en un determinado rango de temperatura. La desviación está tomada con referencia a la frecuencia medida a 25 C .

Envejecimiento El envejecimiento se refiere a los cambios acumulativos en la frecuencia del cristal con el transcurrir del tiempo. Los factores que interviene son: exceso en la potencia disipada, efectos térmicos, fatiga en los alambres de armado y pérdidas en la elasticidad del cristal. El diseño de circuitos considerado bajas temperaturas ambientales y mínimas potencias en el cristal reducirán el envejecimiento.


Circuito eléctrico equivalente El circuito eléctrico equivalente que se muestra a continuación es un esquema del cristal de cuarzo trabajando a una determinada frecuencia de

resonancia. El capacitador OC o capacidad en paralelo, representa en total

la capacidad entre los electrodos del cristal más la capacidad de la carcasa

y sus terminales.1 1, CR C y L conforman la rama principal del cristal y se

conocen como componentes o parámetros motional donde:

-1L representa la masa vibrante del cristal.

-1C representa la elasticidad del cuarzo.

-1R representa las pérdidas que ocurren dentro del cristal.

6. Describir las características de los multivibradores CMOS, cuáles son sus ventajas y desventajas. Las compuertas CMOS pueden ser útiles para muchas aplicaciones dadas su alta impedancia de entrada, su bajo consumo de potencia, alta velocidad, bajo costo y su excursión de salida desde ambos extremos de la fuente de alimentación (“rail to rail”). Este tipo de osciladores los encontraremos con bloque central sobre el cual se construye un multivibrador con múltiples funciones como el CD4551 y el CD4047. Para entender el funcionamiento básico de este tipo de oscilador veremos un ejemplo con la compuerta más simple, el inversor. El circuito interno está compuesto por dos transistores MOS complementarios, como muestra la siguiente figura:


La salida de la compuerta proporciona un valor Vo = VDD para Vi < VT y Vo = 0 para Vi > VT. VT normalmente es el punto medio entre VDD y 0 es decir VT = VDD / 2. Los diodos de protección D1 y D2 impiden que Vi se eleve por encima de VDD ( + Vd) o por debajo (– Vd). Con lo cual protegen a los MOSFET contra descargas electrostáticas. La función transferencia será entonces:

En la siguiente figura vemos un circuito típico de un oscilador astable

con compuertas CMOS inversoras.

Supongamos que al conectar el circuito V2 queda en estado alto, luego debido a la acción inversora de I2 la salida Vo estará baja. El capacitor C comenzará a cargarse de forma exponencial a través de R y V3 evolucionará de forma exponencial tendiendo a VDD. Recordemos que el circuito tiene alta impedancia y que en este momento no hay corriente por R1, entonces V1 = V 3. Al llegar V3 al valor VT el inversor I1 conmuta ha estado bajo. Consecuentemente el inversor I2 conmuta a estado alto. Como la tensión en el capacitor no puede cambiar instantáneamente el salto de tensión en Vo se ve trasladado a V3 cuya tensión sufre un salto de VDD alcanzando el valor


VT + VDD y comienza su descarga exponencial a través de R hacia su valor final, en este caso 0V. Observemos que R1 (llamada resistencia de desacoplamiento), esta para que los tiempos de carga y descarga no se vean alterado por los diodos de protección D1 y D2 que enclavan los valores de tensión de V1 en VDD (+ Vd) y (– Vd) respectivamente como podemos observar en la gráfica. Para que los tiempos no se vean alterados debe ser R1 >> R, en la práctica es suficiente tomar R1 aproximadamente 10 R. Continuando con el análisis cuando V3 llega al valor VT en su descarga exponencial, hace que I1 conmute a estado alto y consecuentemente I2 conmutara ha estado bajo. Nuevamente este salto de tensión se traslada a V3 a través del capacitor, alcanzando en este caso el valor VT – VDD y comienza a evolucionar exponencialmente hacia VDD. Nuevamente al alcanzar el valor de VT se inicia un nuevo ciclo del astable.

Si consideramos

entonces resulta luego resulta:


Una observación importante a destacar es que el cálculo de estos tiempos es muy dependiente del VT de los transistores de los inversores que conforman el oscilador, además por su puesto de la tolerancia del capacitor y la resistencia de la constante de tiempo. Para el cálculo

asumimos que

, pero en la práctica este puede variar entre un 33

% al 67 % de VDD por lo que finalmente deberá hacerse un ajuste a través de un preset en serie con la R de la constante de tiempo para obtener la frecuencia o el tiempo deseados. Esto vale por su puesto para todos los circuitos integrados que veremos luego que tienen como base este tipo de osciladores con compuertas CMOS.

Astable y Monoestable

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