Généralités

Les multivibrateurs sont des montages qui permettent de générer en sortie une tension rectangulaire donc les niveaux hauts et bas sont plus ou moins stables.
En fonction de cette stabilité, on distingue:

Les astables sont des autos-oscillateurs, car ils ne reçoivent aucune impulsion de l'extérieur alors que les monostables et les bistables sont les oscillateurs de déclanchement. Tout multivibrateur comporte obligatoirement les organes suivants:

En fonction de l'élément actif, on distingue les multivibrateurs à transistor, les multivibrateurs à porte logiques et enfin les multivibrateurs à circuit intégré (NE555 ; 74121).

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Les multivibrateurs astables

Un astable ou horloge est un dispositif qui charge d'état spontanément sans qu'il soit nécessaire de lui appliquer une impulsion de commande. Il délivre à sa sortie un signal rectangulaire caractérisé par sa période T et sont rapport cyclique ß=T₁/T
T₁: durée du niveau haut.

Les astables à transistor

Rappel sur le fonctionnement du transistor en commutation

On dit qu'un transistor fonctionne en commutation lorsqu'il n'est en équilibre durable qu'à l'état saturé ou à l'état bloqué. Cela signifie que lorsqu'il passe de l'un à l'autre des états, la transition est très rapide. On définit généralement deux temps pour la commutation du transistor.
t_on : temps de passage de l'état bloqué à l'état passant.
t_off: temps de passage de l'état passant à l'état bloqué.
Ces temps sont faibles de l'ordre de t_on=60ns et t_off=450ns pour les transistor ordinaires et t_on<20ns et t_off<40ns pour les transistor de commutation.

Soit le schéma ci-dessus, le transistor T est dit saturé si les jonctions "base-émetteur" et "base-collecteur" sont polarisées en direct ou d'une manière pratique.

I_B>I_C/ß_min
I_Csat = (V_CC-V_CEsat)/R_C
0V < V_CEsat < 0,2V
Or V_CESat varie de 0 à 0,2V pour les transistor ordinaires et peut atteindre 1V pour les transistors de puissance d'où V_CESat=0
I_B = (V_BB-V_BE)/R_B
Plus R_B est petit, plus I_B est grand. On définit le I_B de juste saturation I_BJS
I_BJS = I_Sat/ß_min = V_CC/R_Cß_min
Pour une bonne conception, il faut que I_B10I_BJS. On appelle facteur de saturation de rapport de IB sur IB de juste saturation. Ce rapport doit être supérieur à 10 pour une bonne conception. Le transistor T sera bloqué lorsque les jonctions "base-émetteur" et "base-collecteur" seront polarisées en inverse. D'une façon pratique pour bloquer le transistor, il suffit d'annuler le courant IB pour cela il faut appliquer entre la base et l'émetteur une tension inférieure au seuil V_BE=0,7V pour le cas de notre schéma, il faut que V_BB<0,7V.

Etude du montage de base

On suppose que au début les condensateurs sont déchargés au moment de la mise sous tension, les deux condensateurs se chargent rapidement à travers R_C1 et R_C2 et les jonctions "base-émetteur". Les deux transistors T₁ et T₂ tendent à ce saturer mais un va se saturer avant l'autre. Supposons que se soit T₁ qui se sature le premier. Si T₁ se sature cela signifie que U_CE1=0 l'armature positive de C₁ est mise à la masse et on a V_C1+U_BE2=0 ; U_BE2=-V_C1. Le transistor T₂ se bloque, le condensateur C₂ va se charger jusqu'à la valeur V_C2=10-0,7=9,3V. Une fois C₂ chargé, la saturation de T₁ est maintenue à travers R_B1
Le condensateur C₁ est lentement chargé en inverse à travers la résistance R_B2 la tension V_C1 passe d'une valeur positive à une valeur négative et va tendre vers -10V mais cette tension ne va jamais atteindre cette valeur. Pour V_C1=-0,7V, le transistor T₂ va se mettre à conduire et va se saturer, ceci va entraîne que V_CE2=0 ; U_BE1+V_C2=0 ; U_BE1=-V_C2 et le transistor T₁ va se bloquer, le condensateur C₁ va se charger rapidement jusqu'à la valeur de 9,3V. Une fois C₁ chargé, la saturation de T₂ est maintenue à travers R_B2.
Le condensateur C₂ est lentement chargé en inverse à travers R_B1. La tension V_C2 passe d'une valeur positive à une valeur négative, lorsque V_C2=-0,7V. T₁ va se remettre à conduire et le cycle recommence.

Astable à ampli opérationnel

Astable à NE555

Structure et fonctionnement du NE555

Structure

Description et fonctionnement

La NE555 est un circuit de 8 broches, sa tension d'alimentation varie entre 4V et 16V. Il est donc compatible avec les TTL et les CMOS. Il peut fournir un courant allant jusqu'à 200mA.
LA broche 8 est reliée à l'alimentation et la broche 1 est reliée à la masse. La broche 2 est reliée à l'entrée inverseuse du comparateur A₂, alors que l'entrée non inverseuse de A₂ donne une tension de référence égale à 1/3V_CC. Lorsque e⁺₁>e^-₂ la tension V_S passe au niveau haut et la sortie de la bascule est mise à 1. Si e^-₂>e⁺₂ la sortie du comparateur reste au niveau bas.
La broche 6 est reliée à l'entrée non inverseuse du comparateur A₁ alors que l'entrée inverseuse sert de tension de référence et on a 2V_CC/3. Lorsque e⁺₁>e^-₁ la sortie V_R passe au niveau haut et la bascule est remise à 0.
La broche 7 est reliée au collecteur d'un transistor commandé par la tension de sortie Q_barre (Q_barre: Q barre) de la bascule RS. Pour Q_barre=0, le transistor est bloqué et le circuit de sortie du transistor est ouvert. Pour Q_barre=1 le transistor est saturé et le circuit de sortie se comporte comme un court-circuit, c'est sur cette broche que sera raccordé les condensateur utilisés dans les applications du NE555. La broche 4 constitue la remise à 0 de la bascule. Elle a la priorité sur toutes les autres entrées. La broche 5 est souvent inutilisée, la broche 3 est la sortie.

Etude de l'astable à NE555

T₁ = 0,7(R_A+R_B)C et T₂ = 0,7R_BC
T = T₁ + T₂ = 0,7(R_A+2R_B)C

Fonctionnement:

Nous nous plaçons en régime établi (permanant), le condensateur subit une succession de charge et de décharge évoluant entre V_CC/3 et 2V_CC/3
Lorsque Q=1 ; Q_barre=0, le transistor est bloqué et le condensateur se charge jusqu'à la valeur de 2V_CC/3 à travers les résistances R_A et R_B. Lorsque la tension V_C veut dépasser 2V_CC/3, la sortie du comparateur A₁ passe à "1" et entraîne Q=0 et Q_barre=1, le transistor se sature et la broche "7" sera mise à la masse. Le condensateur va se décharger à travers R_B jusqu'à V_CC/3. Lorsque V_C veut aller en déca de V_CC/3, le comparateur A₂ passe à 1. Et fait basculer Q=1 et Q_barre=0 et le cycle recommence.

 

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Les multivibrateurs monostables

C'est un circuit ou montage qui possède 2 états (un état stable et un état instable), celui-ci étant à l'état stable une impulsion de commande ou de déclenchement le fait passer à l'état instable. La durée T de cet état instable est indépendante de la forme et de l'intensité de l'impulsion de commande mais dépend plutôt d'un réseau RC. Le monostable réalise une fonction de temporisation utilisée chaque fois que l'on souhaite déclencher un dispositif avec retardement. Suivant les montages ou les besoins de temporisation, la temporisation peut aller de quelques micros secondes à quelques heures.

Le monostable à transistor

Fonctionnement:

En absence de l'impulsion de déclenchement durant l'état stable, le transistor T₂ est saturé, la saturation de T₂ entraîne le blocage de T₁ car le colleteur du deuxième transistor est mise à la masse. Le condensateur C se charge rapidement à travers R_C1 à une valeur V_C=V_CC-V_BE=9,3V. La saturation de T₂ est maintenue à travers la résistance R_B2
Lorsqu'on applique une impulsion d'amplitude suffisante à la base de T₁, le transistor T₁ se sature et la saturation de T₁ bloque T₂, car le collecteur de T₁ est mise à la masse et on aura V_C+V_BE2=0. La saturation de T₁ est maintenue après la disparition de l'impulsion à travers les résistances R_C2 et R_B1. Le condensateur C va se charger en sens inverse à travers R_B2. La tension V_C va donc passer d'une valeur positive à une valeur négative. Lorsque V_C sera égale à -0,7V ; V_BE2=0,7V, le transistor T₁ sera de nouveau bloqué, le système revient à son état initial. T=0,7R_B2C

Remarque:

Pour régler T, on peut ajuster R_B2 et C, mais R_B2 doit être inférieure à 500K (il faut pouvoir saturer T₂) et C<100µF (décharge destruction dans la base de T₂). Les temporisations pour les monostables à travers sont donc limitées à transistor sont donc limitées à quelques dizaines de seconde.

Monostable à l'ampli opérationnel

Etude de la figure1:

Le condensateur va se décharger en visant la valeur -V_Sat-V_ref. Cette décharge se passe à travers les résistances R₁+R₂ tant que e⁺<0 ; V_S=-V_Sat la fin de l'état instable correspond à e⁺=0(instant t₃). A cet instant

Monostable à NE555

Fonctionnement:

Q_barre=0 T bloqué, C se charge
Q_barre=1 T saturé, C se décharge.

 

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Multivibrateurs bistables

C'est un système qui possède deux états stables. On passe d'un état à l'autre par l'action d'une impulsion de déclenchement. Les multivibrateurs bistables très utilisés dans les calculatrices, ils jouent le rôle de relais à 2 positions.

Bistable à transistor

Fonctionnement:

Au début en absence d'une impulsion de déclenchement, un transistor est bloqué et l'autre saturé. Supposons que T₁ soit bloqué et T₂ saturé.
A l'instant t₁ on applique la première impulsion, le transistor T₁ se sature, ce qui met le collecteur de T₁ à la masse et entraîne le blocage de T₂.
Après la disparition de l'impulsion à l'instant t₂, la saturation de T₁ est maintenue à travers R_C2 et R_B1. La tension V_S est sensiblement égale à V_CC. A l'instant t=t₃ on applique une impulsion négative à la base de t₁. Le transistor T₁ se bloque et le blocage de T₁ entraîne la saturation de T₂. Après la disparition de l'impulsion, la saturation de T₂ est maintenue travers R_C1 et R_B2. La sortie V_S=0

Bistable à ampli opérationnel

 

 

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Multivibrateurs à portes logiques

Modèle électrique des familles TTL et CMOS

Circuits logique TTL

C'est la porte NAND à 2 entrées qui et la porte logique de base de la famille TTL. Pour la série TTL standard (74xx), les caractéristiques sont les suivantes.

VOHm	VOLM	VILM	VIHM	IOLM	IILM	IIHL	IOHM
2,4V	0,4V	0,8V	2V	16mA	1,6mA	40µA	400µA

La caractéristique de transfert idéalisée V_S=f(V_e)

Pour les caractéristiques d'entrée et sortie ainsi que les modèles équivalents.

Circuit CMOS

La porte inverseuse est la porte de base de la logique CMOS

Le courant d'entrée I est très faible de l'ordre de 110PA. Il sera donc souvent négligé, mais lorsque la tension V_E<V_D ou V_E<0
Ce courant croit rapidement, il sera important d'adjoindre à l'entrée inverseuse, une résistance en série pour limiter le courant I_E. La caractéristique de transfert est la suivante.

Pour les caractéristiques d'entrée et sortie ainsi que les modèles équivalant.

Les astables à portes CMOS

Hypothèse de départ:
V_C=0 et V_S=V_dd S=1
Fonctionnement:

Le condensateur C se charge à travers R jusqu'à l'instant t₁ en visant la tension V_DD avec une constante de temps Þ=RC juste avant le basculement (il y'aura basculement)

Le condensateur va se décharger en visant -V_dd.
A t=t₂-X, c'est un instant tout juste avant le basculement, on aura:
V_e2 = ½V_dd et V_C = -½V_dd

Le condensateur se charge donc en visant la valeur Vdd. Mais à t=t3, il y'a un nouveau basculement et le cycle recommence.

_{T = 2,2RC}

Les astables à porte TTL

Le condensateur se charge en visant la valeur V₀ à travers la résistance R. Avec une constante de temps Þ=RC.
A t=t₁-X juste avant le basculement on a:
V_e1 = V_C = 1,6V = V_B
V_R = 2,4V = V_A

Le condensateur se décharge en visant la valeur -V₀ à travers la résistance R.
A t=t₂-X ; juste avant le basculement V_e1=1,6V=V_B
V_C = V_e1-V₂ = 1,6 - 4 = -2,4 = -V_A

Le condensateur se charge à nouveau en visant la valeur V₀. A t=t₃ ; il y'a un nouveau basculement et le cycle recommence.

Monostable à portes logiques

Monostables à portes CMOS

Fonctionnement:

Le condensateur se charge en visant la valeur V_DD avec une constante de temps égale à RC.
A t=t₂-X juste avant le basculement V_C=V_e2=½V_DD

Le condensateur se décharge à travers R avec une constante de temps RC. V_E2 décroît de 3V_DD/2 à V_DD, on revient à l'état initial.

T=0,7RC

Monostable à porte NAN CMOS

 

 

 

 

 

 

 

Monostable à portes TTL

Fonctionnement:

Le condensateur se charge à travers la résistance R en visant la valeur V₀ avec une constante de temps RC. Cette phase prend fin à l'instant t=t₂-E ; V_e1=1,6v=V_B ; V_C=2,4V=V_A
V_S1 - V_C - V_E2 = 0 ; V_C = V_S1 - V_e2 = 4 -1,6
V_C = 2,4V