Les multivibrateurs à transistors bipolaires et à circuits intégrés

1. Introduction

Dans le chapitre précédent nous avons vu comment les circuits actifs fonctionnent en commutation.Ainsi,un transistor fonctionne en régime de commutation quand son courant base est soit très faible (transistor bloqué) soit très intense (transistor saturé). Vis-à-vis du générateur et de la résistance de collecteur, le transistor saturé se comporte comme un interrupteur fermé et le transistor bloqué comme un interrupteur ouvert (voir la figure 2). Dans ce type de fonctionnement, la puissance P = VCE.IC dissipée dans le transistor est toujours faible. La durée de la commutation entre les deux états dépend du temps nécessaire à l’écoulement des porteurs en excès dans la base. Les transistors utilisés en commutation sont conçus pour que cette durée soit la plus faible possible.

INVERSEUR LOGIQUE : Si l’entrée du montage (résistance RB) est reliée à E, la tension de sortie VS est nulle. Si l’entrée est reliée à la masse, VS = E. Si l’on convient de désigner par « 0 » une tension nulle et par « 1 » une tension égale à E, on constate que le montage étudié constitue un inverseur logique.

Nous allons étudier les multivibrateurs à deux étages couplés par réaction positive réalisés avec des transistors fonctionnant en régime de commutation ou encore réalisés par des circuits intégrés spécifiques

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:

♦ Le bistable ou bascule : les deux états sont stables.

♦ Le multivibrateur astable : les deux états sont instables.

♦ Le monostable : seul un état est stable.

2. Les multivibrateurs bistables

2.1. Les multivibrateurs bistables à transistors

Considérons le montage suivant :

Schéma synoptique du bistable à transistors et allure de la tension d’entrée

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 RC2 et RB1. La tension VS est sensiblement égale à VCC. A l'instant t=t3 on applique une impulsion négative à la base deT1. 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 RC1 et RB2. La sortie VS=0.Ces différentes variations de tensions sont représentées sur la figure suivante.

Chronogramme de la variation de la tension de sortie VS en fonction de celle de l’entrée

2.2.Bistable à ampli opérationnel

Chronogramme de la variation de la tension d’entrée et celle de la sortie du bistable

3.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.

3.1. Le monostable à transistor

Soit le circuit constitué de deux transistors

Schéma du circuit monostable à transistors

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 RC1 à une valeur VC=VCC-VBE=9,3V. La saturation de T2 est maintenue à travers la résistance RB2
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 VC+VBE2=0. La saturation de T1 est maintenue après la disparition de l'impulsion à travers les résistances RC2 et RB1. Le condensateur C va se charger en sens inverse à travers RB2. La tension VC va donc passer d'une valeur positive à une valeur négative. Lorsque VC sera égale à -0,7V ; VBE2=0,7V, le transistor T1 sera de nouveau bloqué, le système revient à son état initial. T=0,7RB2C

Remarque:

Pour régler T, on peut ajuster RB2 et C, mais RB2 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 quelqjues dizaines de seconde.

Chronogramme de la variation des différentes tensions régissant l e monostable

3.2.Monostable à ampli opérationnel

1Schema du monostable à ampli opérationnel et représentation de la tension de sortie en fonction de celle de l'entrée

Etude de la figure:

Etude de l'état stable:
A t=t0 ; on a Ve=0 ; le courant i=0
e+=Vref et VS=VSat et VC=VSat-Vref

Etude de l'état instable:
A t=t1 ; Ve=V0 ; VS=-VSat car Ved=Vref-V0<0
La charge initiale du condensateur est VCi=VSat-Vref

4. 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.

4.1. Les astables à transistors

4.1.1.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.
ton : temps de passage de l'état bloqué à l'état passant.
toff: temps de passage de l'état passant à l'état bloqué.
Ces temps sont faibles de l'ordre de ton=60ns et toff=450ns pour les transistor ordinaires et ton<20ns et toff<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.

IB>IC/ßmin
ICsat = (VCC-VCEsat)/RC
0V < VCEsat < 0,2V
Or VCESat varie de 0 à 0,2V pour les transistor ordinaires et peut atteindre 1V pour les transistors de puissance d'où VCESat=0
IB = (VBB-VBE)/RB
Plus RB est petit, plus IB est grand. On définit le IB de juste saturation IBJS
IBJS = ISat/ßmin = VCC/RCßmin
Pour une bonne conception, il faut que IB10IBJS. 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 VBE=0,7V pour le cas de notre schéma, il faut que VBB<0,7V.

4.2. Etude du montage de base

Schema du montage astable à transistors

On suppose que au début les condensateurs sont déchargés au moment de la mise sous tension, les deux condensateurs se chargent rapidement à travers RC1 et RC2 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 UCE1=0 l'armature positive de C1 est mise à la masse et on a VC1+UBE2=0 ; UBE2=-VC1. Le transistor T2 se bloque, le condensateur C2 va se charger jusqu'à la valeur VC2=10-0,7=9,3V. Une fois C2 chargé, la saturation de T1 est maintenue à travers RB1
Le condensateur C1 est lentement chargé en inverse à travers la résistance RB2 la tension VC1 passe d'une valeur positive à une valeur négative et va tendre vers -10V mais cette tension ne va jamais atteindre cette valeur. Pour VC1=-0,7V, le transistor T2 va se mettre à conduire et va se saturer, ceci va entraîne que VCE2=0 ; UBE1+VC2=0 ; UBE1=-VC2 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 RB2.

Le condensateur C2 est lentement chargé en inverse à travers RB1. La tension VC2 passe d'une valeur positive à une valeur négative, lorsque VC2=-0,7V. T1 va se remettre à conduire et le cycle recommence.

Chronogramme de la variation des différentes tensions régissant l’astable

4. 3Astable à ampli opérationnel

Représentation de la variation des différentes tensions régissant l e monostable à ampli opérationnel

4.4.Astable à NE555

4.4.1.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 1/3VCC. Lorsque e+1>e-2 la tension VS 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 2VCC/3. Lorsque e+1>e-1 la sortie VR 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 Qbarre (Qbarre: Q barre) de la bascule RS. Pour Qbarre=0, le transistor est bloqué et le circuit de sortie du transistor est ouvert. Pour Qbarre=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.

4.4.2.Etude de l'astable à NE555

Chronogramme de la variation des différentes tensions régissant l’astable NE 555

T1 = 0,7(RA+RB)C et T2 = 0,7RBC
T = T1 + T2 = 0,7(RA+2RB)C

Fonctionnement:

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

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

Etude de la phase de récupération:
A t=t3 il y'a basculement et on a VS=VSat. Le condensateur C va se charger à nouveau à la valeur VSat-Vref

Monostable à NE555

Fonctionnement:

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

Etude de l'état stable:
A t=t0, le condensateur C est complètement déchargé, VC=0, Ve=VCC et S=0; R=0, le transistor étant saturé Qbarre=1 et Q=0

Etude de l'état instable:
A t=t1 on applique une impulsion Ve=0V ; S=1 et R=0 ; Q=1 et Qbarre=0. Le transistor se bloque, le condensateur se charge à travers R. Après la disparition de l'impulsion à l'instant t=t2 on aura Ve=VCC ; S=0 R=0 d'où Q=1 et Qbarre=0, le transistor reste bloqué. L'état instable va prendre fin lorsque Vsc=2VCC/3

Etude de récupération:
A t=t3 on a VC est légèrement supérieure à 2VCC/3 R=1 et S=0 Q=0 et Qbarre=1, le transistor se sature et la patte 7 est mise à la masse, le condensateur se retrouve en court-circuit et se décharge donc très rapidement et on se retrouve à l'état initial.

5.Monostable à portes logiques

5.1.Monostables à portes CMOS

Fonctionnement:

Etude de l'état stable:
Le condensateur est complètement déchargé, le courant i=0, la tension VC=0 ; Ve2=Vdd ; Vs=0 ; VS1=VDD

Etude de l'état instable:
A t=t1 on applique une impulsion de déclenchement positive: Ve=VDD ; VS1=0 ; VC=0 ; Ve2=0 ; VS=VDD

Le condensateur se charge en visant la valeur VDD avec une constante de temps égale à RC.
A t=t2-X juste avant le basculement VC=Ve2=½VDD

Etat de récupération:
A t=t2 il y'a un nouveau basculement

Le condensateur se décharge à travers R avec une constante de temps RC. VE2 décroît de 3VDD/2 à VDD, on revient à l'état initial.

T=0,7RC

5.2.Monostable à porte NAN CMOS

5.3.Monostable à portes TTL

Fonctionnement:

Etude de l'état stable:
A t=t0 ; Ve=V0 le condensateur est complètement déchargé: i=0 ; VC=0 ; VS1=0 et Ve=0 d'où VS=V0

Etude de l'état instable:
A t=t1 ; Ve=0 ; VS1=V0
Ve2=V2 car VC=0 d'où VS=0

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 ; Ve1=1,6v=VB ; VC=2,4V=VA
VS1 - VC - VE2 = 0 ; VC = VS1 - Ve2 = 4 -1,6
VC = 2,4V

Phase de récupération:
A t=t2 il y'a un nouveau basculement. VS=0 ; VS1=0
Le condensateur se décharge à travers R jusqu'à la valeur VC=0

Chronogramme de la variation des différentes tensions régissant l e monostable à portes logiques