Лекция 14. ГЕНЕРАТОРЫ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ РЕЛАКСАЦИОННОГО ТИПА

Принцип действия генераторов прямоугольных импульсов

Генераторы прямоугольных импульсов строятся на основе усилителей с положительной обратной связью, в которых при выполнении условия баланса амплитуд и баланса фаз возникают колебательные процессы. Для возникновения прямоугольных колебаний необходимо, чтобы условие самовозбуждения выполнялось в широком диапазоне частот. При этом из-за паразитных емкостей спектр генерируемых колебаний ограничен сверху, и формируемые импульсы имеют конечную длительность фронта и среза. Наличие разделительных конденсаторов приводит к ограничению спектра на низких частотах, что приводит к снижению амплитуды прямоугольных импульсов.

У транзисторных усилителей с общим эмиттером достаточно высокий коэффициент усиления и фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением равный 180⁰. Для обеспечения баланса фаз необходимо либо применять в цепи обратной связи устройства, сдвигающие фазу на 180⁰, либо использовать второй каскад усиления. В первом случае для сдвига на 180⁰ используется трансформатор. Второй вариант реализуется двумя путями: в первом выходы и входы усилителей перекрестно соединяются, во втором в качестве обратной связи используется резистор в общей цепи обоих усилительных каскадов. При перекрестных связях строятся генераторы периодически повторяющихся импульсов, которые называются мультивибраторами. При использовании резистора в цепи эмиттеров генераторы имеют одно устойчивое состояние и называются одновибраторами.

Мультивибраторы

Мультивибратором называется генератор прямоугольных импульсов релаксационного типа, не имеющий устойчивых состояний.

В мультивибраторе на дискретных элементах используется два усилительных каскада, охваченных обратной связью (рис.4.8). Элементами положительной обратной связи являются конденсаторы С₁ и С₂ , которые соединяют коллектора транзисторов VT1, VT2 с базами транзисторов VT2, VT1. В мультивибраторе генерирование импульсов происходит сразу же после включения питания (рис.4.9).

Рис.4.8. Принципиальная схема мультивибратора

Рис.4.9. Временные диаграммы мультивибратора на транзисторах

Пусть в момент времени t₁ транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывается. На базе VT2 напряжение U_б2 > 0, а на базе VT1 U_б1 < 0 (U_б1 = - Un). Емкость С_б1 начинает разряжаться через открытый транзистор VT2. Ток i_б2 , а следовательно, и напряжение на R_б1 уменьшается по экспоненциальному закону. В момент времени t₂ напряжение U_б1 будет положительным, и транзистор VT1 будет открываться. При этом появляется ток в коллекторной цепи транзистора VT1 и U_k1¯, U_б1¯, U_k2­. Происходит лавинообразный процесс, при котором транзистор VT1 открывается, а транзистор VT2 закрывается. Далее начинается процесс разряда емкости С_б2 через открытый транзистор VT1. В момент времени t₃ произойдет следующий переход и т.д. Длительность формируемых импульсов определяется постоянной времени R_бC_б :

T₁ = R_б1C_б1; T₂ = R_б2C_б2; T = T₁ + T₂ .

Для симметричного мультивибратора: R_б1 = R_б2; C_б1 = C_б2; T=1,4R_бC_б .

Длительность переднего фронта формируемых импульсов равна

t_ф = 2,2C_бR_k.

Обычно R_б > 3R_к .

Для построения генераторов прямоугольных импульсов наряду с дискретными элементами используются операционные усилители. Тип генераторов импульсов на операционных усилителях (мультивибратор, одновибратор) определяется цепью обратной связи.

Мультивибратор на операционном усилителе имеет две цепи обратной связи (рис.4.10). Цепь обратной связи неинвертирующего входа образована двумя резисторами (R₂ и R₂) и, следовательно,

.

Рис.4.10. Схема мультивибратора на операционном усилителе

Обратная связь по инвертирующему входу образована цепочкой R₁C₁, поэтому напряжение на инвертирующем входе зависит не только от напряжения на выходе усилителя, но и является функцией времени

.

Процессы, протекающие в мультивибраторе, рассмотрим, начиная с момента времени t₀ (рис.4.11), когда напряжение на выходе положительное ( ). При этом, как будет показано далее, конденсатор C₁ в результате процессов, протекающих в предшествующие моменты времени, заряжен таким образом, что к инвертирующему входу приложено отрицательное напряжение. На неинвертирующем входе действует постоянное положительное напряжение

.

Рис.4.11. Временная диаграмма мультивибратора

на операционном усилителе

Напряжение на инвертирующем выходе с течением времени увеличивается, стремясь к уровню , так как в системе протекает процесс перезарядки конденсатора C₁. Пока , состояние усилителя определяет напряжение на инвертирующем входе и на выходе сохраняется уровень .

В момент времени t₁ напряжение на входах операционного усилителя становится равным, и тогда дальнейшее увеличение приводит к тому, что напряжение на выходе резко уменьшается и становится отрицательным Так как напряжение на выходе операционного усилителя изменило полярность, то конденсатор C₁ в дальнейшем перезаряжается и напряжение на нем, а также напряжение на инвертирующем входе стремиться к

В момент времени t₂ опять наступает равенство напряжений на входах операционного усилителя, после чего напряжение на выходе скачком опять принимает значение . Как следует из временной диаграммы (рис.4.11) в момент времени t₂ полный цикл работы схемы заканчивается и в дальнейшем процессы в ней повторяются.

Длительность генерируемых импульсов (интервал времени t₀…t₁) определяется временем перезарядки конденсатора С₁ по экспоненциальному закону

.

Поскольку

, u_C1(¥) = U_вых, t₁ = R₁C₁, то

Формирование импульса заканчивается, когда t = t₁ и

.

Следовательно, длительность генерируемых импульсов

_.

Время паузы по аналогии

.

Так как время импульса и паузы одинаковы такой мультивибратор называют симметричным. В несимметричном мультивибраторе на операционном усилителе перезарядка конденсатора C₁ осуществляется через разные резисторы (рис.4.12). При положительном напряжении (во время импульса) перезарядка конденсатора происходит с постоянной времени t₁ = R₁C₁, а при отрицательном (во время паузы) ­- с постоянной t₂ = R₄C₁.

Рис.4.12. Схема несимметричного мультивибратора

Схему мультивибратора можно построить на логических элементах. Простейшая схема мультивибратора включает в себя два инвертирующих логических элемента ЛЭ₁ и ЛЭ₂, две времязадающие цепочки R₁C₁ и R₂C₂ и диоды VD₁ и VD₂ (рис.4.13).

Рис.4.13. Схема мультивибратора на логических элементах