8.1.2. Схемы мультивибраторов
Одним из наиболее распространенных генераторов импульсов прямоугольной формы является мультивибратор, представляющий собой двухкаскадный резестивный усилитель с глубокой положительной обратной связью, В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых элементов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и т. д.), режиму работы (автоколебательный, ждущий, синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и т. д.
Необходимо отметить, что, строго говоря, отнесение мультивибратора к классу автогенераторов оправдано лишь при автоколебательном режиме его работы. В ждущем режиме мультивибратор вырабатывает импульсы только тогда, когда на его вход поступают специальные запускающие сигналы. Режим синхронизации отличается от автоколебательного лишь тем, что в этом режиме с помощью внешнего управляющего (синхронизирующего) напряжения можно изменять частоту генерируемых колебаний.
Одна из наиболее простых и типичных схем мультивибратора на транзисторах приведена на рис. 8.2. Элементы схемы подобраны так, чтобы обеспечить идентичность каждого из усилительных каскадов, собранных на однотипных транзистора V1 и V2. При R1=R4, R2=R3, С1=С2 и одинаковых параметрах транзисторов мультивибратор называют симметричным.
Рис. 8.2. Схема симметричного транзисторного мультивибратора
Казалось бы, при полной симметрии схемы после ее включения токи транзисторов и напряжения на конденсаторах и на электродах транзисторов должны быть одинаковыми, а состояние схемы – устойчивым. Однако этого никогда не происходит, так как идеальной симметрии схемы добиться практически невозможно. Любая, даже самая незначительная асимметрия мгновенно приведет к тому, что один из транзисторов закроется, а другой будет открыт и доведен до режима насыщения. Допустим, что по тем или иным причинам (нестабильность источника питания, флуктуации движения в элементах схемы из-за некоторого расхождении в параметрах этих элементов) ток коллектора транзистора V2 оказался несколько больше коллекторного тока транзистора V1. Это приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R4 и снижению отрицательного потенциала на коллекторе транзистора V2. Через конденсаторе С2 изменение потенциала коллектора транзистора V2 передается на базу транзистора V1. Это приведет к уменьшению тока коллектора транзистора V1 и к увеличению отрицательного потенциала на коллекторе этого транзистора. Через конденсатор С1 изменение потенциала коллектора транзистора V1 передается на базу транзистора V2, что вызывает дополнительное увеличение тока коллектора этого транзистора. Далее процесс повторяется, и в конечном итоге транзистор V2 полностью откроется и войдет в режим насыщения, а транзистор V1 закроется. Этот процесс протекает лавинообразно и поэтому очень быстро – практически мгновенно.
Обратим внимание на то, что в режиме запирания транзистора V1 конденсатор С1 заряжается по цепи: +Ек, участок эмиттер–база открытого транзистора V2, С1, R1, -ЕК. В тоже время конденсатор С2 (в режиме насыщения транзистора V2) разряжается через открытый транзистор V2 в резистор R3.
Переключение схемы из одного состояния в другое зависит от скорости заряда и разряда конденсаторов. Так, по мере заряда конденсатора С1 положительный потенциал точки А (правая обкладка конденсатора С1 рис. 8.2) все более нарастает, а по мере разряда конденсатора С2 положительный потенциал точки В (левая обкладка конденсатора С2) все более снижается. В связи с этим потенциал базы транзистора V2 постепенно повышается, а потенциал базы транзистора V1 – снижается. Учитывая, что в рассматриваемой схеме используются транзисторы типа р–п–р, можно заключить, что в определенный момент времени транзистор V1 отопрется, начнется лавинообразный процесс нарастания тока этого транзистора, а транзистор V2, наоборот, запрется. Затем процесс переключения схемы повторяется. Таким образом, транзисторы в мультивибраторе по очереди находятся или в режиме отсечки тока или в режиме насыщения и с каждого коллектора можно снять прямоугольные импульсы с амплитудой, почти равной величине напряжения источника питания. Схема будет генерировать импульсы, т.е. находиться в режиме самовозбуждения, до тех пор, пока включен источник питания. Такой режим и называют автоколебательным.
На рис.8.3 приведены временные диаграммы токов, протекающих в коллекторных цепях транзисторов, и напряжении на коллекторах и базах транзисторов. Диаграммы помогают понять принцип действия схемы. Исходный момент t0 соответствует тому случаю, когда транзистор V1 заперт, а V2 открыт. Моменты t1, t2‚ t3 соответствуют переключению схемы.
Приведенная на рис.8.2 схема мультивибратора получила название схемы с коллекторно-базовыми емкостными связями.
На рис.8.4 и рис.8.5 отражены некоторые возможности совершенствования схем мультивибраторов в автоколебательном режиме.
Если напряжение источника питания задано и значительно превышает амплитуду импульсов Um, то можно расчет мультивибратора вести на большую амплитуду, чем задано, а импульсы снимать с помощью делителя напряжения в коллекторной цепи одного из транзисторов, как показано на рис. 8.4.
В некоторых схемах мультивибраторов для регулировки периода автоколебаний в цепи баз транзисторов включают источник регулируемого напряжения (ЕБ на рис.8.5). Формула для определения периода генерируемых импульсов в этом случае имеет вид
Т =2 RБС ln (1 + UБm / ЕБ ),
где RБ = R2 = R3; С = С1 = С2; UБm – часть напряжении, которая передается с коллекторов в цепи баз (определяется положением движков потенциометров R1” и R4”).
Рис. 8.3. Временные диаграммы напряжений и токов в цепях
мультивибратора
Рис. 8.4. Схема мультивибратора с делителем напряжения в коллекторной цепи транзистора
Рис. 8.5. Схема мультивибратора с регулировкой периода автоколебаний