Les circuits monostables peuvent facilement être réalisés à l’aide de composants discrets ou de portes logiques numériques, mais les circuits monostables peuvent également être construits à l’aide d’amplificateurs opérationnels pour créer des circuits monostables à op-amp.

Les circuits multivibrateurs monostables à op-amp (multivibrateurs à un coup) sont des circuits de commutation à rétroaction positive (ou régénérative) qui n’ont qu’un seul état stable, produisant une impulsion de sortie d’une durée spécifiée T.

Un signal de déclenchement externe est appliqué pour modifier l’état, et après une période de temps déterminée, soit en microsecondes, millisecondes ou secondes, une période déterminée par les composants RC, le circuit monostable retourne à son état stable d’origine où il reste jusqu’à ce que le prochain signal d’entrée de déclenchement arrive.

Diagramme de Bloc Monostable

Le diagramme de bloc ci-dessus montre qu’un multivibrateur monostable est construit en ajoutant une résistance externe, (R) et un condensateur, (C) à travers un circuit de commutation. Le circuit de commutation peut être réalisé à l’aide de transistors, de portes logiques numériques ou d’amplificateurs opérationnels à usage général. La constante de temps, τ de la combinaison résistance-capacité détermine la longueur de l’impulsion, T.

Circuit Monostable à Op-amp

Tout d’abord, considérons le circuit de l’amplificateur inverseur comme montré.

Dans cette configuration d’amplificateur opérationnel inverseur, une partie du signal de sortie (appelée fraction de rétroaction) est renvoyée à l’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel via le réseau de résistance.

Dans cette configuration inverseuse de base, la fraction de rétroaction est donc négative car elle est renvoyée à l’entrée inverseuse. Cette configuration de rétroaction négative entre la sortie et la borne d’entrée inverseuse force la tension d’entrée différentielle à tendre vers zéro.

Le résultat de cette rétroaction négative est que l’op-amp produit un signal de sortie amplifié qui est déphasé de 180^o par rapport au signal d’entrée. Ainsi, une augmentation de la tension à la borne inverseuse,-V renvoyée par la sortie, provoque une diminution de la tension de sortie, V_O produisant un amplificateur équilibré et stable fonctionnant dans sa région linéaire.

Considérons maintenant le même circuit d’amplificateur opérationnel identique dans lequel les entrées inverseuse et non inverseuse de l’op-amp ont été échangées. C’est-à-dire que le signal de rétroaction est renvoyé à l’entrée non inverseuse et le processus de rétroaction est maintenant positif, produisant un circuit de comparateur de base avec hystérésis intégrée.

Comparateur Schmitt à Op-amp

Un réseau résistif est connecté entre la sortie des op-amps et l’entrée non inverseuse (+). Lorsqu’Vout est saturé vers la voie d’alimentation positive, (+Vcc), une tension positive, par rapport à la terre est appliquée à l’entrée non inverseuse. De même, lorsque Vout est saturé vers la voie d’alimentation négative, (-Vcc), une tension négative, par rapport à la terre, est appliquée à l’entrée non inverseuse de l’op-amp.

Étant donné que les deux résistances sont configurées à travers la sortie sous forme de réseau diviseur de tension, la tension V_B présente à l’entrée non inverseuse dépendra donc de la fraction de la tension de sortie renvoyée par le rapport des deux résistances. Cette fraction de rétroaction, β, est donnée comme :

Notez que nous pouvons rendre la valeur de β variable en remplaçant les résistances R₁ et R₂ par un potentiomètre dont le balai est connecté directement à l’entrée non inverseuse de l’op-amp, ce qui nous permet de faire varier la fraction de rétroaction.

Comme la quantité d’hystérésis est directement liée à la quantité de fraction de rétroaction, il est préférable d’éviter de construire un déclencheur Schmitt op-amp (comparateur régénératif) avec des quantités très faibles d’hystérésis (faible β) car cela peut entraîner des oscillations de l’op-amp entre les points supérieurs et inférieurs lors de la commutation.

Circuit Monostable de Base à Op-amp

A la mise sous tension initiale (c’est-à-dire t = 0), la sortie (V_OUT) sera saturée vers la voie d’alimentation positive (+Vcc) ou vers la voie d’alimentation négative (-Vcc), car ce sont les deux seuls états stables autorisés par l’op-amp. Supposons pour l’instant que la sortie a basculé vers la voie d’alimentation positive, +Vcc. Ensuite, la tension à l’entrée non inverseuse, V_B sera égale à +Vcc*β où β est la fraction de rétroaction.

L’entrée inverseuse est maintenue à 0.7 volts, la chute de tension de polarisation du diode, D₁ et bloquée à 0v (terre) par le diode, empêchant toute augmentation. Ainsi, le potentiel à V_A est bien inférieur à celui à V_B et la sortie reste stable à +Vcc. Dans le même temps, le condensateur, (C) se charge jusqu’à la même tension de 0.7 volts et est maintenu là par la chute de tension de polarisation directe du diode.

Si nous appliquons une impulsion négative à l’entrée non inverseuse, la tension de 0.7v à V_A devient maintenant supérieure à la tension à V_B car V_B est maintenant négatif. Ainsi, la sortie de l’op-amp configuré en Schmitt change d’état et se sature vers la voie d’alimentation négative, -Vcc. Le résultat est que le potentiel à V_B est maintenant égal à -Vcc*β.

Ce stade méta-stable temporaire provoque une charge exponentielle du condensateur dans la direction opposée à travers la résistance de rétroaction, R, de +0.7 volts jusqu’à la sortie saturée vers laquelle elle vient de basculer, -Vcc. Le diode, D₁ devient inversement polarisé donc n’a aucun effet. Le condensateur, C se décharge avec une constante de temps τ = RC.

Dès que la tension du condensateur à V_A atteint le même potentiel que V_B, c’est-à-dire -Vcc*β, l’op-amp revient à son état stable permanent d’origine avec la sortie saturée à nouveau à +Vcc.

Notez qu’une fois la période de temporisation terminée et que la sortie de l’op-amp revient à son état stable et se sature vers la voie d’alimentation positive, le condensateur tente de se charger à l’envers vers +Vcc mais ne peut se charger qu’à une tension maximum de 0.7v donnée par la chute de tension directe du diode. Nous pouvons montrer cet effet graphiquement comme suit :

Formes d’Ondes Monostables à Op-amp

Nous pouvons donc voir qu’un signal d’entrée de déclenchement descendant, déclenchera le circuit monostable à op-amp dans son état instable temporaire. Après un délai, T pendant que le condensateur, C se charge à travers la résistance de rétroaction, R, le circuit revient à son état stable normal une fois que la tension du condensateur a atteint le potentiel requis.

Cette période de délai de temps (T) de l’impulsion rectangulaire à la sortie, le temps d’état instable, est donné comme :

Période de Temporisation Monostable

Si les deux résistances de rétroaction des amplificateurs opérationnels ont la même valeur, c’est-à-dire : R₁ = R₂, alors l’équation ci-dessus se simplifie à :

Évidemment, il y a un certain temps que le condensateur met à se recharger de -Vcc*β à V_D (0.7v) et donc pendant cette période, une seconde impulsion négative ne peut pas commencer une nouvelle période de temporisation.

Ensuite, pour assurer le bon fonctionnement du circuit monostable à op-amp lors de l’application de la prochaine impulsion de déclenchement, la période entre les impulsions de déclenchement, (T_total) doit être supérieure à la période de temporisation, T plus le temps nécessaire pour le condensateur à se recharger, (T_charging).

Le temps de récupération de charge est donné comme :

Où : Vcc est la tension d’alimentation, V_D est la chute de tension directe du diode, (généralement environ 0.6 à 0.7 volts) et β est la fraction de rétroaction.

Pour s’assurer que le circuit monostable à op-amp ait un bon signal de déclenchement négatif qui commence la période de temporisation sur le bord montant de l’impulsion descendante, et aussi pour éviter tout déclenchement intempestif du circuit lorsqu’il est dans son état stable, nous pouvons ajouter un circuit de différenciation RC à l’entrée.

Un circuit de différentiation est utile pour produire un pic de sortie négatif à partir d’une forme d’onde d’entrée carrée ou rectangulaire. La réduction nette et abrupte de la tension seuil du comparateur en dessous de sa valeur de fraction de rétroaction, β, entraîne le circuit monostable à op-amp dans sa période de temporisation. Un circuit de différentiation est formé à l’aide d’un réseau résistance-capacité (RC) comme montré.

Circuit de Différenciation RC

Le circuit de différenciation de base ci-dessus utilise un autre réseau résistance-capacité (RC) dont la tension de sortie est la dérivée de la tension d’entrée, par rapport au temps. Lorsque la tension d’entrée passe de 0 à -Vcc, le condensateur non polarisé commence à se charger de manière exponentielle. Étant donné que la tension du condensateur, Vc, est initialement zéro, la tension de sortie du différenciateur passe soudainement de 0 à -Vcc produisant un pic négatif puis décroît de manière exponentielle à mesure que le condensateur se charge.

En général, pour un circuit de différenciation RC, la valeur de pic du pic négatif est approximativement égale à la magnitude de la forme d’onde de déclenchement. De plus, en règle générale, pour qu’un circuit de différenciation RC produise de bons pics rapides et étroits, la constante de temps, ( τ ) doit être au moins dix fois plus petite que la largeur de la pulpe d’entrée. Par exemple, si la largeur de la pulpe d’entrée est de 10 ms, alors la constante de temps 5RC devrait être inférieure à 1 ms (10%).

L’avantage d’utiliser un circuit de différenciation est que toute tension continue DC ou tout signal variant lentement sera bloqué, permettant uniquement aux impulsions de déclenchement variant rapidement d’initier la période de temporisation monostable. Le diode, D assure que l’impulsion de déclenchement arrivant à l’entrée non inverseuse de l’op-amp est toujours négative.

Circuit Monostable à Op-amp

Exemple de Tutoriel No1

Un circuit monostable à op-amp est construit en utilisant les composants suivants. R1 = 30kΩ, R2 = 30kΩ, R = 150kΩ et C = 1.0uF. Si le monostable à op-amp est alimenté par une source de ±12V et que la période de temporisation est initiée avec une impulsion de 10ms.

Calculez la période de temporisation du circuit, le temps de récupération du condensateur, le temps total entre les impulsions de déclenchement et les valeurs du réseau différenciateur. Dessinez le circuit complet.

Données fournies : R1 = R2 = 30kΩ, R = 150kΩ, C = 1.0uF et la largeur de l’impulsion est de dix millisecondes, (10ms).

1. Période de Temporisation, T:

2. Temps de récupération du condensateur :

3. Temps total entre les impulsions de déclenchement :

4. L’impulsion d’entrée est donnée comme 10ms, donc la durée du pic négatif sera de 1ms (10%). Supposons une valeur de capacité de 0.1uF, alors les valeurs RC du différenciateur sont calculées comme :

Ceci donne le circuit monostable à op-amp final pour notre exemple comme suit :

Circuit Monostable Final à Op-amp

Nous avons vu dans ce tutoriel qu’un circuit monostable à op-amp peut être construit en utilisant un amplificateur opérationnel à usage général, comme le 741, et quelques composants supplémentaires. Bien qu’il puisse être plus facile de construire des circuits monostables (one-shot) à l’aide de composants discrets, de portes logiques numériques ou du puce IC 555 commune, il est parfois nécessaire de construire des monostables à l’aide d’op-amps pour des applications en circuits analogiques.

En configurant un op-amp comme un déclencheur Schmitt avec une rétroaction positive, la durée de l’impulsion de sortie est déterminée par la constante de temps du circuit de temporisation RC, ainsi que par la valeur du rapport du réseau de diviseur de tension résistif fournissant la rétroaction positive qui aide à rendre le circuit instable.