curso básico de eletrônica digital parte 8

CURSO DE ELETRÔNICA DIGITAL

55SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

LIÇÃO 8

OS MULTIVIBRADORESASTÁVEIS E MONOESTÁVEIS

Na lição anterior aprendemoscomo funcionam os principais tipos deflip-flops, verificando que dependen-do dos recursos de cada um, elespodem ser empregados de diversasformas. Também vimos as entradasque estes dispositivos podem conterpara melhorar seu desempenho emdeterminadas aplicações, como porexemplo, nos computadores. Vimostambém que os flip-flops são usadoscomo divisores de frequência ou cé-lulas de memória. Tudo isso nos levaà necessidade de contar com estafunção na forma de circuitos integra-dos. De fato, existem muitos circuitosintegrados TTL e CMOS contendo flip-flops dos tipos estudados e será jus-tamente deles que falaremos nestalição. Também enfocaremos algumasconfigurações que em lugar de doisestados estáveis possuem apenasum, além das configurações que nãopossuem nenhum estado estável.Estes circuitos denominados multivi-bradores astáveis e monoestáveis

também são muito importantes emaplicações relacionadas com a Ele-trônica Digital.

8.1 - MULVIBRADORES ASTÁVEIS

Os circuitos digitais trabalham sin-cronizados, em sua maioria, por sinaisretangulares que precisam ser produ-zidos por algum tipo de oscilador. Ooscilador, que produz o sinal de“CLOCK” ou “relógio” deve ter carac-terísticas especiais e para isso podemser usadas diversas configurações.

Uma das configurações mais in-teressantes é justamente aquela queparte de um circuito bastante seme-lhante aos flip-flops que estudamosna lição anterior.

Este circuito recebe o nome demultivibrador astável e se caracterizapor não ter dois, nem um estado es-tável. Este circuito muda constante-mente de estado, numa velocidadeque depende dos valores dos com-ponentes usados e que, portanto geraum sinal retangular.

Da mesma forma que estudamosos flip-flops partindo da configuraçãobásica com transistores, vamos estu-dar o multivibrador astável.

Assim, caso tenhamos a configu-ração mostrada na figura 1, usandotransistores, os capacitores propor-cionam uma realimentação que levao circuito à oscilação.

O multivibrador astável é um cir-cuito em que a frequência é determi-nada por um capacitor e um resistor,ou seja, por uma constante de tempo

RC. Dizemos que este tipo de osci-lador é do tipo RC. Analisemos me-lhor como funciona a configuraçãomostrada na figura 1.

Quando a alimentação éestabelecida, um dos transistoresconduz mais do que outro e inicial-mente podemos ter, por exemplo, Q1

saturado, e Q2 cortado. Com Q

1

saturado o capacitor C1 carrega-se via

R1 de modo que a tensão no capacitorsobe gradualmente até o ponto emque, estando carregado, o transistorQ2 é polarizado no sentido de condu-zir. Quando isso ocorre, Q

2 tem um

dos seus terminais aterrado e descar-rega-se. Nestas condições Q1 vai aocorte e Q2 satura. Agora é a vez de C2

carregar-se até que ocorra novamen-te uma comutação dos transistores eum novo ciclo de funcionamento.

As formas de onda geradas nestecircuito são mostradas na figura 2,observando-se o ciclo de carga e des-carga dos capacitores.

Figura 1 - Multivibrador astávelusando dois transistores. Figura 2 - Formas de onda no circuito da

figura 1.


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O leitor pode perceber então queo tempo de carga e descarga doscapacitores e portanto, das oscilaçõesgeradas por este circuito, dependemtanto dos valores dos capacitorescomo dos resistores de base atravésdos quais ocorrem as descargas.

Também podemos observar queos sinais gerados são retangulares,pois ocorre uma comutação rápidados transistores de tal forma que atensão em seus coletores sobe e des-ce muito rapidamente.

Da mesma forma que no caso dosflip-flops, podemos elaborar multivi-bradores astáveis, tanto usando vál-vulas como transistores de efeito decampo.

Podemos também ter osciladoresRC que geram sinais com boa esta-bilidade com menos componentes.Estes osciladores podem ser elabo-rados com funções lógicas e para issotemos diversas possibilidades.

7.4 - ASTÁVEIS COMFUNÇÕES LÓGICAS

a) Astável usando inversoresUm primeiro tipo de oscilador RC

ou astável pode ser elaborado combase em dois inversores, utilizando aconfiguração mostrada na figura 3.

Neste circuito, R e C determinama frequência de operação. Resumi-mos o princípio de funcionamento da

seguinte forma: quando o inversor F-2 está com a saída no nível alto, asaída de F-1 estará no nível baixo, oque faz com que o capacitor carreguevia R. Quando a tensão em C atingeo valor que provoca a comutação deF-2, ele troca de estado e sua saídavai ao nível baixo. Nestas condiçõesa saída de F-1 vai ao nível alto, ocapacitor é “invertido” começando suacarga, mas com polaridade oposta atéque novamente tenhamos o reconhe-cimento do nível de comutação e umnovo ciclo se inicie.

A frequência de operação destecircuito é dada com aproximação pelafórmula:

f = 1/(2 x 3,14 x R x C)

3,14 é o famoso “PI” que é cons-tante.

C deve ser expresso em farads,R em ohms para que tenhamos afrequência em hertz.

Nos circuitos integrados CMOScostuma-se agregar nas entradasdiodos de proteção com a finalidadede protegê-los contra descargas es-táticas. Estes diodos afetam o funcio-namento dos osciladores, podendodificultar sua operação. Uma maneirade contornar o problema causadopela presença dos diodos consiste emmodificar o circuito da figura 3, agre-gando um resistor adicional da formaindicada na figura 4.

Este resistor Rx deve ser pelomenos 10 vezes maior que R. Valo-res da ordem de 1 MΩ são os maisusados na prática de modo a não afe-tar a frequência de operação deter-minada pela fórmula que vimos.

Podemos controlar a frequênciadeste tipo de oscilador colocando umresistor variável no circuito de reali-mentação, verifique a figura 5.

Como o resistor variável é 10 ve-zes maior do que o resistor que estáem série, a faixa de frequências obti-da variará numa razão de 10 para 1.Assim, se a frequência mínima for de100 Hz, a máxima será de 1000 Hz.Veja que não é recomendável que oresistor em série seja muito peque-no, menor que 10 kΩ, dadas as ca-racterísticas do circuito.

Como o tempo de carga e descar-ga do capacitor é o mesmo, o sinalproduzido é retangular com um cicloativo de 50%, ou seja, o tempo emque ele permanece no nível alto é omesmo do nível baixo, figura 6.

Na maioria das aplicações queenvolvem o uso de circuitos digitaissão necessários circuitos de clock quetenham ciclos ativos de 50%, no en-tanto, existem aplicações especiaisem que um ciclo ativo diferente podeser necessário.

Para modificar o ciclo ativo, o re-curso mais comum consiste em terpercursos diferentes para as corren-tes de carga e descarga do capacitor,

Figura 3 - Multivibrador usandodois inversores.

Figura 4 - Melhorando o circuito da figura 3.

Figura 5 - Oscilador de 2,0 a 20 kHz usando dois inversores.

Figura 6 - Ciclo ativo de 50%.

(*) Valores típicospara inversores

CMOS



Figura 7 - Alterando o ciclo ativo.

Figura 8 - Oscilador com ciclo ativo controlável.

o que pode ser conseguido com o usode diodos.

Assim, para o circuito que toma-mos como exemplo é possível modi-ficar o ciclo ativo da maneira indicadana figura 7.

O capacitor vai carregar-se via R1

e descarregar via D2, o que significatempos diferentes para a saída no ní-vel alto e baixo.

Estes tempos dependem doscapacitores e são dados pelas fórmu-las junto ao diagrama.

Para um ajuste do ciclo ativo po-demos agregar um potenciômetro outrimpot ao circuito que vai determinaros percursos para as correntes decarga e descarga do capacitor, con-forme figura 8.

A posição do cursor determina ociclo ativo, observando-se que na po-sição central este ciclo será de 50%.

Observamos finalmente que inver-sores podem ser obtidos com a liga-ção de portas NOR com as entradasem paralelo, confira na figura 9.

Ou ainda, a configuração indicadapode ser elaborada com portasNAND, ficando com a disposição dafigura 10.

b) Oscilador com disparadorUma característica não muito de-

sejada quando se pretende usar umafunção como osciladora, é o tempo decomutação quando o nível lógico éreconhecido na entrada.

Um tipo de função lógica impor-tante, que possui tempos reduzidosde comutação, é a formada por cir-cuitos disparadores ou “triggers”,como por exemplo, do circuito integra-do 4093, ver na figura 11.

Estas portas possuem uma carac-terística de histerese que é mostradana figura 12.

Esta característica mostra que,quando o circuito reconhece o nívellógico necessário à comutação, asaída passa de um nível a outro numavelocidade muito grande, ou seja, háuma comutação muito rápida.

Por outro lado, o nível lógico deentrada que faz novamente a comu-tação para que a saída volte ao esta-do anterior não ocorre com a mesmatensão “de ida”.

Em outras palavras, o sinal desaída oscila do nível alto para o baixo

Figura 9 - Astável com portas NOR ligadas com inversores.

Figura10 - Astável com portas NAND CMOS ligadas como inversores.

Figura 11 - Porta NANDdisparadora (Schimitt trigger).

Figura 12 - Característica dehisterese do 4093.

Um tipo de função lógica importan-te, que possui tempos reduzidos decomutação, é a formada por circui-tos disparadores ou “triggers”,


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e vice-versa com tensões diferentesde entrada. Estas diferentes tensõesdeterminam uma faixa denominada“histerese” e que é mostrada na cur-va da figura 12.

Esta característica é muito impor-tante pois garante que o circuito co-mute com segurança, tanto “na ida”como “na volta” dos sinais, e que alémdisso, possam ser usados emosciladores de bom desempenho.

Para termos um oscilador comuma porta NAND disparadora comoa do circuito integrado CMOS 4093,precisamos de apenas dois compo-nentes externos na configuração mos-trada na figura 13.

Neste circuito, o capacitor se car-rega através do resistor quando a sa-ída da porta (ligada como inversor)está no nível alto e descarrega-sequando está no nível baixo, produzin-do um sinal com ciclo ativo de 50%.

A entrada do circuito, ligada entreo capacitor e o resistor, não drenanem fornece corrente, já que é de altaimpedância, apenas sensoriando onível de tensão neste ponto para fa-zer a comutação.

As formas de onda obtidas nestecircuito são mostradas na figura 14.

Da mesma forma que nos circui-tos anteriores também podemos mo-dificar o ciclo ativo do sinal geradosmodificando o percurso das corren-tes de carga e descarga do capacitor,o que pode ser conseguido atravésde diodos.

Temos então na figura 15 um cir-cuito com ciclo ativo diferente de 50%usando diodos.

Neste circuito, quando a saída dodisparador está no nível alto, ocapacitor carrega-se via D1 e R1. Es-

tes componentes determinam entãoo tempo de saída alto.

Quando o circuito comuta e a saí-da do disparador vai ao nível baixo, ocapacitor descarrega-se via D2 e R2,sendo estes os componentes respon-sáveis pelo tempo baixo do sinal desaída.

Também podemos controlar o ci-clo ativo deste circuito colocando umpotenciômetro ou trimpot, conforme afigura 16.

A posição do cursor determina aresistência do circuito nos percursosde carga e descarga do capacitor.

O 4093, na verdade, correspondea um grupo de circuitos denominados“disparadores de Schmitt” que seráestudado nas próximas lições na suareal função, que é a de modificar for-mas de onda de um circuito.

O disparador pode transformar umsinal de qualquer forma de onda numsinal retangular, conforme veremosmais adiante.

c) Oscilador TTL com Inversorescom saída de coletor aberto

Um outro tipo de circuito astável,que pode ser usado para gerar sinaisretangulares num equipamento digi-tal, é o que faz uso de três dos seisinversores disponíveis num circuitointegrado 7406. Este circuito é mos-trado na figura 17.

O sinal é realimentado da saídado último inversor para a entrada doprimeiro e pelo resistor variável temoso ajuste da frequência e do ponto defuncionamento.

Este oscilador pode gerar sinais nafaixa de 1 MHz a 10 MHz para TTLsnormais e frequências mais elevadascom TTL LS.

Figura 13 - Osciladorusando uma porta

disparadora do circuitointegrado 4093.

Figura 14 - Formas de ondanum oscilador com o 4093.

Figura 15 - Oscilador com ciclo ativodeterminado pela relação entre R1 e R2.

Figura 16 - Oscilador comciclo ativo controlado or P1. Figura 17 - Oscilador com inversores com saída em coletor aberto.

d) Oscilador com cristalO cristal é um elemento importan-

te no controle de frequência de umcircuito. Os cristais oscilam emfrequências determinadas pelo seucorte. Assim, eles podem ser usadospara manter a frequência fixa dentrode estreitos limites.

Seu uso mais comum é justamen-te em circuitos em que a precisão dafrequência seja importante, tais comorelógios, cronômetros e em



instrumentação. Existem diversas for-mas de obter um oscilador com cris-tal para aplicações em circuitos digi-tais. Um primeiro circuito que pode serdado como exemplo é apresentado nafigura 18 e faz uso de duas das qua-tro portas NOR disponíveis num cir-cuito integrado CMOS 4001.

O cristal serve de elemento de re-alimentação devendo haver umcapacitor ajustável que permite vari-ar a frequência levemente em tornodo valor estabelecido pelas caracte-rísticas do circuito.

Uma porta serve como elementoativo do circuito (amplificador), en-quanto a outra serve de “buffer”, ouseja, isola a saída do circuitooscilador.

Os buffers são importantes emmuitas aplicações, pois impedem quevariações ocorridas no circuito querecebe o sinal afetem a frequência dooscilador.

Um outro oscilador a cristal cominversores CMOS é o da figura 19.

A saída do último inversor forneceo sinal de realimentação do circuitoatravés do cristal que então determi-na a sua frequência.

Versão equivalente com inverso-res e circuitos integrados TTL paraosciladores controlados a cristal émostrada na figura 20.

Figura 20 - Oscilador controlado a cristal com inversores TTL.

Figura 19 - Oscilador CMOS a cristal com inversores CMOS.

Figura 18 - Oscilador CMOS a cristal.

QUESTIONÁRIO

1. Quantos estados estáveis têm ummultivibrador monoestável?a) 1 b) 2 c) nenhumd) todos os estados são estáveis

2. Qual dos circuitos abaixo indicadosnão pode ser usado como astável oumonoestável?a) 7474 b) 555c) 74122 d) 4011

3. O tempo de carga de um capacitoré diferente do tempo de descargaquando usado num astável. Podemosdizer que o ciclo ativo do sinal geradoé: a) 50%

b) maior que 50%c) menor que 50%d) diferente de 50%

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