Лабораторная работа №8. Изучение мультивибраторов и триггеров.

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ:

1. Осциллограф.

2. Источник питания.

3. Стенд для изучения мультивибраторов и триггеров.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Целью работы является исследование различных схем мультивибраторов и триггеров. В ходе работы исследуется влияние величины элементов схемы на форму различных выходных импульсов.

Мультивибраторы

Мультивибратор относится к релаксационным генераторам. Релаксационные колебания бывают прямоугольные, пилообразные и т.д., их форма отличается от синусоидальной. Характерной особенностью релаксационных колебаний является наличие участков с медленным изменением силы тока или напряжения в течении времени t_в и очень быстрым, скачкообразным - в течение времени t_в (рис.1б). Скачок возникает при выполнении условия самовозбуждения (βК > 1). За счет нелинейности усилительного прибора коэффициент передачи k уменьшается и при βК = 1 лавинный процесс нарастания тока прекращается (β - коэффициент обратной связи). В дальнейшем активный элемент запирается, происходит разрыв цепи обратной связи. При этом совершается медленный процесс (разряд конденсатора), который приводит к изменению входного напряжения усилительного прибора, его отпиранию, к замыканию цепи обратной связи и появлению следующего скачка.

СХЕМА МУЛЬТИВИБРАТОРА С КОЛЛЕКТОРНО-БАЗОВЫМИ СВЯЗЯМИ.

На рис.1а представлена простейшая схема мультивибратора на транзисторах с коллекторно–базовыми связями, а временные диаграммы его работы показаны на рис.1б.

В мультивибраторах применяется очень сильная положительная обратная связь, в результате чего транзисторы поочередно входят, то и режим насыщения, то в режим отсечки. Возможно также и длительное, устойчивое состояние, когда оба транзистора находится в насыщении.

Для возникновения колебаний необходим импульс, запирающий один из транзисторов. Мультивибраторы бывают симметричными и несимметричными. У симметричного мультивибратора одинаковые коллекторные (R_K1=R_K2) и базовые (R₁=R₂) сопротивления, а также емкости (C₁=C₂).

Так как k₁>1 и k₂>l, то условие самовозбуждения выполняются и в схеме возможен лавинообразный процесс (скачок). В случае строго симметричной схемы после включения источника питания токи транзисторов одинаковы I_K1= I_K2. Конденсаторы С₁ и С₂ заряжаются через открытые транзисторы. Постоянная времени τ_зар=CR_K. В действительности совершенно одинаковые условия работы каскадов не реализуются. Из-за каких-либо причин токи транзисторов становятся неодинаковыми. Допустим, ток I_K1 возрастает (рис.1а), при этом коллекторное напряжение U_K1 уменьшается: U_K1=U_C2+U_Б2 поэтому прямое напряжение U_Б2 также уменьшается. Это приводит к уменьшению тока базы I_Б2 и тока коллектор I_K2 второго транзистора и увеличению U_K2, что влечет за собой увеличение U_Б1 и I_K1. Этот процесс протекает очень быстро, токи I_K1 и I_Б1 транзистора VT1, возрастают до насыщения (VT1 - открыт), а токи транзистора VT2 убывают до нуля (VT2 - закрыт). Можно считать, что U_K1 0, I_K1 = I_НАС , U_K2 = -E_K2.

Конденсатор С₂ заряжен почти до напряжения Е_K. Так как U_K1 = 0, то обкладка конденсатора С₂ , заряженная отрицательно, присоединяется практически к общему зажиму +Е_К. В замкнутой цепи (+E_K, VT1, С₂, R_Б2, -E_K) возникает ток, приводящий к разряду конденсатора С₂. Постоянная времени разряда τ_раз = С₂R_Б2. За это время происходит заряд конденсатора С₁.

Цепь заряда конденсатора C₁ (+E_K, открытый переход эмиттер-база VT1, C₁, R_К2, -E_K) имеет постоянную времени заряда τ_зар = R_K2C₁. Так как R_K2 << R_Б2, то τ_зар << τ_раз. Заряд конденсатора С₁ заканчивается намного быстрее, чем разряд конденсатора С₂, который определяет длительность τ_и.

Протекающий зарядный ток поддерживает потенциал базы транзистора VT1 на уровне, близком к U_Б = -0,8В, что достаточно, чтобы VT1 находился в режиме насыщения. Конденсатор С₁ заряжается до напряжения E_K - U_Б1. После окончания заряда конденсатора С₁ напряжение U_Б1 поддерживается за счет тока через резистор R_K2..

Транзистор VT2 остается запертым напряжением на конденсаторе С₂ зарядившемся в предыдущий полупериод до значения E_K. Все это напряжение приложено между базой и эмиттером VT2, так как потенциал левой обкладки конденсатора С₂ равный напряжению коллектор-эмиттер насыщенного транзистора. Чтобы транзистор VT2 открылся необходимо, чтобы конденсатор С₂ не только полностью разрядился, но и перезарядился до напряжения U_Б2 = -0,6В, а затем скачком до -0,8В, при котором VT2 становится проводящим. Kaк только транзистор VT2 начнет проводить, его коллекторный потенциал падает, что через конденсатор С₁ передается на базу VT1. Последний переходит в активный режим. Процесс перезарядки конденсатора С₂ закончится. Возникающий при этом регенеративный процесс быстро переключает схему из одного квазиустойчивого состояния в другое, при котором VT1 находится режиме отсечки, a VT2 - в режиме насыщения.

Режим насыщения открытого транзистора при установившемся токе коллектора I_KH определяется соотношением между сопротивлениями резисторов в цепи коллектора R_K и базы R_Б: I_БН = I_KH/β, где I_БН и I_KH - токи насыщения базы и коллектора полностью открытого транзистора, β- коэффициент усиления тока базы, то:

или R_Б ≤ R_Kβ

R₁ = R_K2β (1)

R₂ = R_K1β (2)

(1) и (2) - условия насыщения.

Таким образом, в мультивибраторах на транзисторах верхние границы значений сопротивлений R₁ и R₂ оказываются ограниченными параметрами схемы. На рис.1б приведены зависимости напряжений на коллекторе и базе транзисторов VT1 и VT2. При зарядке конденсатора , где τ_ЗАР=R_КC – постоянная времени заряда конденсатора. При разряде конденсатора: , где τ_РАЗ=R_БC – постоянная времени разряда конденсатора.

Постоянная времени разряда должна быть не менее чем на порядок больше постоянной времени заряда, т.е. τ_РАЗ > τ_ЗАР. Это необходимо для того, чтобы один из конденсаторов С полностью зарядился, пока другой конденсатор разряжается и держит запертым «свой» транзистор. Транзистор отпирается, когда U_C(t) = -0,6В. Следовательно, полупериод прямоугольного колебания, генерируемого симметричным мультивибратором, можно найти из равенства:

отсюда:

Пренебрегая напряжением 0,6В по сравнению с E_K получаем:

(3)

Это выражение получено в предположении мгновенности переключения транзисторов и не учитывает времени на рассасывание зарядов, накопленных на базе. Обычно изменение периода Т колебаний мультивибратора на транзисторах достигается за счет изменения емкости С₁ и С₂.

На рис.1б видно, что фронты выходных импульсов мультивибратора, формирующиеся после закрытия соответствующих транзисторов, имеют значительно большую длительность, чем фронты импульсов, соответствующие моменту открытия транзисторов. Длительность фронта импульсов после закрытия транзисторов определяется временем, в течении которого конденсаторы С₁ и С₂ заряжаются до напряжения питания. Эта длительность называемая временем восстановления t_В или длительностью среза, зависит от постоянной времени заряда конденсатора τ_ЗАР = R_KC, t_В = 3τ_ЗАР. Обычно R_Б = 10R_K поэтому время восстановления t_В составляет часть периода повторения импульсов. Поэтому форма выходного напряжения U_BbIX мультивибратора заметно отличается от прямоугольной, что ограничивает возможности его применения.

Мультивибраторы при несимметричной схеме могут устойчиво работать только при небольшой скважности Q = (порядка 10-15), это также является его недостатком (где t_и - длительность короткого импульса).

СХЕМА МУЛЬТИВИБРАТОРА С БЛОКИРОВКОЙ КОЛЛЕКТОРНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ

Недостатком предыдущей схемы является большая длительность фронтов выходных импульсов. Это объясняется тем, что ёмкость времязадающей цепи заряжается током, замыкающимся через сравнительно большое коллекторное сопротивление. От этого недостатка свободен мультивибратор с отключающими диодами (или с блокировкой коллекторных потенциалов) (рис 2а). Временные диаграммы мультивибратора с блокировкой коллекторных потенциалов представлены на рис.2б. Отличие этого мультивибратора от простейшего состоит в том , что заряд времязадающих конденсаторов С после закрытия соответствующего транзистора осуществляется не через коллекторные резисторы, а через добавочные зарядные резисторы R_З. После закрытия транзистора, например VT1, его потенциал скачком изменяется до – Е_К, при этом блокирующий диод VD1 закрывается и отделяет цепь заряда ёмкости С₂ от коллектора. Сопротивление зарядных резисторов обычно выбирают примерно равными сопротивлением коллекторных резисторов R_З = R_К.

Конденсаторы разряжаются по той же цепи, что и у мультивибратора с коллекторно-базовыми связями, т.к. в это время соответствующий диод открыт, его сопротивление мало и практически не влияет на длительность выходных импульсов. Рассмотренная схема мультивибратора, обладая прямоугольными выходными напряжениями, имеет два недостатка: максимальная скважность при несимметричной схеме примерно вдвое меньше максимальной скважности мультивибратора с коллекторно-базовыми связями; коллекторный ток открытого транзистора I_КН = Е_К/(R_R + R_З)вдвое больше, чем у первой схемы. Таким образом, схема с отключающими диодами потребляет примерно вдвое большую мощность от источника питания. Период повторения импульсов определяется формулой (3)

СХЕМА МУЛЬТИВИБРАТОРА С ФИКСАЦИЕЙ КОЛЛЕКТОРНЫХ