II. МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МУЛЬТИВИБРАТОРАХ КАК РЕЛАКСАЦИОННЫХ ГЕНЕРАТОРАХ

Мультивибратор относится к релаксационным генераторам. Релаксационный генератор является источником колебаний, фор­ма которых отличается от синусоидальной. Релаксационные коле­бания бывают прямоугольные, пилообразные и т. д. Генераторы релаксационных колебаний используют для формирования оди­ночных импульсов и импульсных последовательностей, деления частоты, в качестве запускающих элементов, источников синхро­низирующего сигнала и т. д.

Колебательный процесс в релаксационном генераторе состоит в поочередном накоплении энергии от источника питания нако­пителем и выделении ее в виде тепла в резисторах схемы. Нако­питель переключается с процесса накопления на выделение энер­гии с помощью коммутирующего устройства при достижении оп­ределенного уровня энергии. Управление коммутирующим уст­ройством производится по цепи обратной связи. Таким образом, релаксационный генератор обязательно содержит источник энер­гии, накопитель, коммутирующее устройство и цепь обратной свя­зи. В качестве коммутирующего устройства обычно используют транзистор, работающий в ключевом режиме.

Релаксационный генератор может работать в одном из сле­дующих режимов: ждущем, автоколебательном, синхронизации и деления частоты.

В ждущем режиме генератор имеет состояние устойчивого и квазиустойчивого равновесия. Квазиустойчивым равновесием называют такое состояние генератора, при котором он, будучи вы­веденным из состояния равновесия, через некоторое время возвра­щается к этому состоянию благодаря внутренним процессам. Пе­реход из устойчивого равновесия в квазиустойчивое происходит под действием запускающих импульсов, а обратно генератор воз­вращается самопроизвольно через время, зависящее от парамет­ров генератора.

В автоколебательном режиме состояния устойчивого равнове­сия нет, а существует два состояния квазиустойчивого равнове­сия. В процессе работы генератор переходит из одного квазиус­тойчивого состояния в другое. Период колебаний определяется параметрами генератора.

В режиме синхронизации на релаксационный генератор дейст­вует внешнее синхронизирующее напряжение. Генератор имеет также два квазиустойчивых состояния, однако период колебаний определяется синхронизирующим сигналом.

Среди большого числа разнообразных релаксационных гене­раторов можно выделить два типа в зависимости от способа ор­ганизации обратной связи: мультивибраторы и блокинг-генераторы. Подобные генераторы широко применяются в импульсной тех­нике. Мультивибратор представляет собой двухкаскадное устрой­ство, обратная связь в котором образуется соединением выхода одного каскада со входом другого и, наоборот, с помощью кон­денсаторов. Блокинг-генератор — это устройство, обратная связь с выхода на вход которого осуществляется через импульсный трансформатор. Обратная связь в этих устройствах положительная.

ЖДУЩИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР

Схема и принцип действия. Ждущий мультивибратор (иногда его называют одновибратором) предназначен для формирования одиночных импульсов заданной длительности. Форма импульсов близка к прямоугольной. Формирование импульса на выходе од­новибратора происходит только после подачи на вход запускаю­щего сигнала. До подачи запускающего сигнала мультивибратор находится в устойчивом состоянии, т. е. как бы ждет запуска, по­этому такой режим называют ждущим.

После подачи запускающего сигнала осуществляется переход в следующее состояние, называемое квазиустойчивым, так как в нем мультивибратор долго находиться не может, и через некото­рое время самостоятельно возвращается к устойчивому состоя­нию.

Принципиальная схема одновибратора с коллекторно-базовыми связями приведена на рис. 7,а.

Рис. 7-а.

Схема содержит два каска­да. Один из них, собранный на транзисторе VT1, представляет со­бой транзисторный ключ с форсирующей емкостью; R1 и C1 — элементы базовой, а R_к1 — коллекторной цепи этого каскада. Вто­рой каскад, собранный на транзисторе VT2, служит усилителем с резистивно-емкостной (R2,C2) связью. Вход (базовая цепь) каж­дого из каскадов подключен к выходу (к коллектору) другого каскада. Такое включение каска­дов в мультивибраторе создает петлю положительной обратной связи.

На базу транзистора VT2 че­рез резистор R2 подается напря­жение от источника Ек — поло­жительной полярности. Выход­ной сигнал снимается с коллек­тора транзистора VT2. Элементы Сз, Rз, представляющие собой укорачивающую цепочку, сов­местно с диодом VD образуют цепь запуска.

Работа мультивибратора в ждущем режиме может быть раз­делена на три этапа: исходное состояние, рабочий период и пе­риод восстановления. Процессы, происходящие в мультивибрато­ре, иллюстрируют диаграммы на рис. 7,б.

Рис. 7-б.

Рис. 7-б.

Исходное устойчивое состояние. Транзистор VT2 открыт, a VT1 закрыт. Транзи­стор VT2, удерживается в откры­том состоянии током I_{Б 2}, созда­ваемым источником Ек и втекаю­щим в базу транзистора VT2 че­рез резистор R2. Этот ток равен: I_Б2 = (Ек— U_{БЭ НАС 2}) / R2. Сопротив­ление R2 выбрано таким, чтобы ток базы транзистора VT2 был больше тока базы на границе насыщения. По­этому транзистор VT2 насыщен. Напряжение на его коллекторе U_К2 име­ет небольшое остаточное значение.

При открытом и насыщенном транзисторе VT2 транзистор VT1 будет закрыт, если напряжение на его базе U_{Б 2} меньше поро­га открывания Un, т. е. U_{Б 2} < Un.

Напряжение U_{Б 1}, приложенное к базе VT1 складывается из остаточного напряжения U_КЭнас2 на коллекторе насыщенного транзистора VT2 и падения напряжения на R1 от тока /_КБ0 тран­зистора VT1. Напряжение определяют алгебраическим суммиро­ванием напряжений на элементах при обходе замкнутого контура от базы транзистора VT1 к его эмиттеру. Таким образом, VT1 за­крыт, если выполняется условие:

U_Б1 < U_П.

Это условие обеспечивают, подбирая параметры схемы ждущего мультивибратора.

Напряжение на коллекторе закрытого транзистора VT1 близко к Е_К. Конденсатор С2 заряжен до напряжения U_C2 ≈ Е_К - U_{БЭ НАС 2} (это напряжение определяется суммированием напряжений между коллектором и эмиттером и эмиттером и ба­зой VТ2, т. е. на элементах внешнего по отношению к конденса­тору контура при обходе его в направлении от левой обкладки к правой). Конденсатор C1 практически разряжен.

Запуск и опрокидывание. В момент t₁ на базу VT2 поступает импульс тока, формируемый цепью запуска. Под дейст­вием этого импульса транзистор VT2 закрывается, напряжение U_{К 2} на его коллекторе нарастает до значения, близкого к Ек. По­скольку это напряжение существенно превышает порог открывания Un транзистора VT1, последний открывается и входит в насы­щение, что обеспечивается соответствующим выбором сопротивле­ния R1. Таким образом, под действием импульса запуска VT1 от­крылся, а VT2 закрылся, т. е. произошло опрокидывание ждущего мультивибратора.

Короткие импульсы, необходимые для запуска, либо подаются на вход ждущего мультивибратора непосредственно от источника запускающих сигналов либо формируются с помощью цепи за­пуска из перепадов напряжения, подаваемого на вход устройства. Принцип действия цепи поясняют временные диаграммы, пред­ставленные на рис. 7,б.

Конденсатор С3 заряжается под действием высокого напряже­ния, подаваемого на вход в момент t=0. Поскольку диод VD в это время закрыт, положительный импульс, сформированный це­пью R3, С3 в базу транзистора VT2 не проходит, а замыкается через резистор R3. В момент t=t₁, когда на входе действует от­рицательный перепад напряжения, конденсатор С3 разряжается через открытый диод VD и входную цепь транзистора VT2, так как сопротивление резистора R3 выбирается много больше сум­мы сопротивлений открытого диода и входного сопротивления от­крытого транзистора. При этом образуется импульс обратного ба­зового тока, обеспечивающий быстрое закрывание VT2. Дальней­ший временной ход процессов в устройстве поясняют диаграммы, приведенные также на рис. 7,б. Итак, в момент t₁ под действием входного токового импульса транзистор VT2 закрывается.

Квазиустойчивое состояние. После отпирания VT1 в момент t₁ к эмиттерному переходу VT2 прикладывается обрат­ное напряжение U_{Б 2} = U_{КЭ НАС 1} – U_С2 (напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 определяется суммированием напря­жений вдоль внешнего по отношению к VT2 контура при обходе его от базы к эмиттеру).

Остаточное напряжение U_{КЭ НАС 1} на коллекторе насыщенного транзистора мало по сравнению с U_С2, поэтому, пренебрегая им, считают, что все напряжение U_С2 через открытый транзистор VT1 прикладывается к базе VT2, т. е. U_{Б 2} = - U_С2. Это напряжение удерживает транзистор VT2 в закрытом состоянии и после окон­чания импульса запуска. Ждущий мультивибратор в течение это­го времени находится в квазиустойчивом состоянии.

В этом состоянии конденсатор С2 перезаряжается частью коллекторного тока транзистора VT1, протекающего по цепи: конденсатор С2, резистор R2, источник Ек. В процессе перезаряда напряжение на конденсаторе изменяется от значения U_С2 = - E_K, стремясь к величине U_С2 = E_K. В соответствии с изменением напря­жения на конденсаторе меняется и напряжение U_{Б 2} на базе тран­зистора VT2. В момент времени t=t₂ напряжение на переза­ряжающемся конденсаторе С2 достигает порогового значения. Так как это напряжение приложено к базе VT2, то транзистор VT2 открывается и на его коллекторе вновь устанавливается низкое напряжение U_{КЭ НАС 2}. Вследствие этого транзистор VT1 закрыва­ется. Конденсатор C1 ускоряет процессы открывания и закрывания транзистора VT1 так же, как это происходит в транзисторном ключе с форсирующей емкостью. Таким образом, в момент t₂ про­исходит обратное опрокидывание ждущего мультивибратора, и ус­тройство возвращается в устойчивое состояние. На выходе (на коллекторе VT2) возникает импульс, длительность которого равна времени пребывания ждущего мультивибратора в квазиустойчи­вом состоянии, которое определяется временем перезаряда кон­денсатора С2 от напряжения Ек - U_{БЭ НАС 2} до напряжения U_П.

Восстановление. После возвращения в момент t₂ уст­ройства в устойчивое состояние начинается процесс восстановле­ния, в ходе которого устанавливаются напряжения, соответствую­щие исходному состоянию. Часть базового тока транзистора VT2, замыкаясь по цепи конденсатор С2, резистор Rк1 источник Ек, за­ряжает конденсатор С2. По мере роста напряжения U_С2 уменьша­ются зарядный ток, падение напряжения на резисторе Rк1 и напряжение U_К1 приближается к установившемуся значению Ек.

Следующий запуск устройства можно производить после того, как U_{К 1} = U_{С 2} приблизится к Ек с высокой точностью. В против­ном случае, если U_{С 2} окажется к моменту запуска существенно меньше Ек, то напряжение на базе транзистора VT2 будет сни­жаться с меньшего значения и, следовательно, раньше до­стигает нуля, раньше откроется транзистор, так как уменьшится длительность импульса t_И.

Проведенный анализ процессов, происходящих в ждущем мультивибраторе, позволяет сделать вывод о том, что он имеет все необходимые элементы релаксационного генератора: конден­сатор С2 выполняет роль накопителя энергии, которая рассеивается затем в результате разряда конденсатора; транзистор VT1, управ­ляемый по цепи обратной связи, переключает С2 с заряда на раз­ряд, т. е. служит коммутатором.

Длительность формируемого импульса равна времени, в тече­ние которого напряжение на базе закрытого транзистора VT2 из­меняется от исходного значения Eк в момент t₁ до значения Un в момент t₂ вследствие перезаряда конденсатора С2. Для инженерных расчетов принимают, что длительность выходного импульса равна:

t_И ≈ 0,7* R2* C2