Описание лабораторной установки

В качестве исследуемых радиоэлектронных узлов в лабораторной работе выбраны мультивибраторы, работающие в автоколебательном режиме.

Мультивибраторы относятся к классу релаксационных генераторов и используется для получения прямоугольных импульсов с крутыми фронтами. Используют автоколебательный и ждущий режимы работы мультивибраторов. Длительность импульсов, формируемых ждущим мультивибратором, и период повторения импульсов автоколебательного мультивибратора определяются параметрами схемы, режимом работы ключевого каскада и напряжением источников питания. Стабильность длительности импульсов и периода зависит от диапазона изменения температуры окружающей среды, от стабильности напряжений источников питания и многих других факторов.

В лабораторной работе используются мультивибраторы с коллекторно-базовыми емкостными связями для генерирования прямоугольных импульсов. Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми связями приведена на рисунке 1. На рисунке приведены временные диаграммы , поясняющие работу схемы..

Рассмотрение работы схемы следует с определения в каком состоянии находятся транзисторы Т1 и Т2. Начнем рассмотрение с момента времени, когда транзистор Т2 открыт и насыщен, а транзистор Т1 закрыт. Закрытое состояние транзистора Т1 поддерживается за счет напряжения на заряженном конденсаторе С1, которое приложено между базой и эмиттером транзистора Т1 плюсом к базе ( открытый насыщенный транзистор Т2 можно считать замкнутым ключом). Напряжение на коллекторе закрытого транзистора практически равно напряжению питания

U_k1 = - ( E_k - I_kбо R_k1 ) ≈ - E_k ,

а напряжение на коллекторе насыщенного транзистора

U_k2 = U_{k нас} ≈ 0.

Положительное напряжение на базе Т₁ u_Б1 уменьшается по экспоненциальному закону вследствие разряда конденсатора С₁ с постоянной времени R₁C₁. В момент достижения напряжения u_Б1 нулевого значения первый транзистор открывается, и ток коллектора i_К1 создает на сопротивлении R_К1 падение напряжения. Потенциал коллектора транзистора Т₁, равный u_К1= ─(Е_к ─i_К1R_R1), повышается. Часть тока коллектора i_К1 через конденсатор С₂ ответвляется в базовую цепь транзистора Т₂; при этом уменьшается ток базы i_Б2, и транзистор Т₂ входит в активный режим. Напряжение на коллекторе Т₂ понижается. Развивается лавинообразный процесс изменения токов и напряжений, приводящий к опрокидыванию схемы: транзистор Т₂ закрывается, транзистор Т₁ насыщается.

Как только транзистор Т₂ закроется и потенциал его коллектора, т.е. потенциал правой обкладки конденсатора С₁ понизится, начинается заряд конденсатора С₁ по цепи: плюс источника питания Е_к (нулевая точка схемы), участок эмиттер-база транзистора Т₁, конденсатор С₁, резистор R_к2, минус источника питания Е_к. При протекании зарядного тока по резистору R_к2 потенциал коллектора транзистора Т₂ определяется выражением u_к2=-(Е_к-i_зарR_к2). По истечении времени t_вос2 зарядный ток i_зар≈0; потенциал коллектора закрытого транзистора Т₂ становится равным –Е_к , напряжение на конденсаторе С₁ устанавливается равным Е_к. Время восстановления

.

В течении времени t_вос2 ток базы транзистора Т₁ определяется выражением

.

Так как ток базы согласно выражению (27) при протекании зарядного тока через конденсатор С₁ больше значения Е_к/R₁, определяющего режим работы транзистора после окончания заряда конденсатора С₁, то в течении протекания зарядного тока транзистор Т₁ насыщен в большей степени, чем по истечении времени t_вос2. Поэтому длительность фронта положительного перепада мультивибратора значительно меньше, чем для ключевого каскада, и определяется формулой

.

Одновременно с зарядом конденсатора С₁ осуществляется более медленный разряд конденсатора С₂ через резистор R₂, источник Е_к и открытый насыщенный транзистор Т_{1 .,} открытый транзистор Т₁ представлен замкнутым ключом; ток перезаряда конденсатора С₂ обозначен через i_c2; индексом I_КБ0 обозначен обратный ток коллекторного перехода транзистора Т₂. Если бы перезаряд конденсатора С₂ существовал бесконечно долго, то при t=∞

i_C2 (∞)=0 и u_Б2 (∞)= - (E_к+I_КБ0R₂).

К этому значению стремится напряжение на базе транзистора Т₂ при перезаряде конденсатора. Однако в реальной схеме конденсатор С₂ не перезаряжается, так как в момент t₂, когда напряжение на базе u_Б2 становится равным нулю, транзистор Т₂ открывается. И цепь перезаряда конденсатора С₂ перестает существовать.

Длительность закрытого состояния транзистора Т₂ определяет длительность импульса t_и2. Для определения t_и2 перенесем начало координат на временной диаграмме u_Б2 из точки О в точку О₁. С учетом переноса начала координат закон изменения на базе Т₂ имеет вид:

,

где τ₂=R₂C_2. При t=t_и2 u_Б2(t)=E_k+I_КБОR₂.

Подставляя это выражение в левую часть уравнения, а в правую – значение t=t_из, получаем:

и после логарифмирования

Аналогично может быть получена формула, определяющая длительность импульса:

.

Длительность периода автоколебаний

Т=t_и1+t_и2.

Если режим транзистора выбран насыщенным, то U_m ≈ E_к - I_КБОR_к1. Учитывая неравенство I_КБОR₂<<E_к, формулу перепишем виде

.

При I_КБО(R₂+R_К1)/2E_к<<1 формула для определения длительности импульса принимает вид:

Формулой следует пользоваться при определении температурной стабильности схемы. При расчете параметров схемы вторым членом в квадратных скобках можно пренебречь и считать

t_и1=0.7R₁C₁; t_и2=0,7R₂C₂,

а в симметричном мультивибраторе при С₁=С₂=С; R₁=R₂=R

T=2t_и1=2t_и2=1,4RC.

Выбор режима. Режим открытого транзистора может быть выбран глубоко насыщенным h_21ЭI_Б>>I_{к нас}, насыщенным h_21ЭI_Б>I_{к нас}, на грани насыщения h_21ЭI_Б=I_{к нас} и ненасыщенным (активным) h_21ЭI_Б<I_{к нас}.

Глубоко насыщенный режим обеспечивает почти прямоугольную форму напряжения на коллекторах транзисторов Т₁ и Т₂ . Однако если выбрать такой режим, то автоколебания в мультивибраторе могут не возникать. Это объясняется тем, что при глубоком насыщении транзисторы не обладают усилительными свойствами. Если после включения схемы оба транзистора мультивибратора одновременно насыщаются, такое равновесное состояние будет устойчивым, и автоколебательный процесс в схеме мультивибратора не наступит. Ненасыщенный режим открытого транзистора характеризуется ступенчатой формой напряжения на коллекторах транзисторов. Это объясняется тем, что во время протекания зарядного тока конденсатора через эмиттерный переход открытого транзистора ток базы больше значения, соответствующего выбранному режиму, и транзистор входит в насыщение; при этом рабочая точка, перемещаясь по нагрузочной прямой, попадает в точку М , и напряжение на коллекторе открытого транзистора повышается до U_{К нас} (рис. 20). По истечении времени восстановления t_вос2 напряжение на коллекторе снижается до величины U΄_к, соответствующей выбранному ненасыщенному режиму .

Кроме того, при ненасыщенном режиме транзисторов наблюдается изменение амплитуды выходных импульсов мультивибратора от температуры вследствие зависимости коэффициента h_21Э от температуры. Изменение амплитуды наблюдается также при замене транзисторов. Поэтому ненасыщенный режим транзисторов мультивибраитра используется редко.

Насыщенный режим является основным режимом транзисторов в мультивибраторах. При этом режиме не наблюдается срыва автоколебаний, обеспечиваются хорошая форма и высокая крутизна фронта положительного перепада выходных импульсов при постоянстве их амплитуды.

Стабильность периода автоколебаний. Стабильность периода автоколебаний Т определяется длительностью импульсов t_и1 и t_и2. Из формул видно, что длительность импульсов не зависит от напряжения источника коллекторного питания Е_к. Независимость длительности импульсов от Е_к можно пояснить тем, что изменение напряжения источника коллекторного питания Е_к на величину ΔЕ как величины положительного скачка напряжения на базе, так и уровня, к которому стремиться напряжение на базе при перезаряде конденсатора. Длительность импульса t_и2 (аналогично и t_и1) при этом остается постоянной. Изменение температуры приводит к изменению периода колебаний. При выполнении схемы на германиевых транзисторах основное влияние на изменение периода оказывает обратный ток коллекторного перехода I_КБ0, Поэтому абсолютная нестабильность длительности периода импульсов мультивибратора на германиевых транзисторах в соответствии с формулами определяется выражение

,

где - значение при изменении температуры t˚₁C; - при температуре t˚₂C.

Коэффициент относительной относительности временной погрешности, характеризующей температурную нестабильность мультивибратора, определяется выражением .

С учетом замечаеий формула для принимает вид:

.

Введя обозначение - = Δ и учитывая, что R₂>>R_К1, получаем:

.

Например, изменение для германиевого транзистора МП20А при температуре 20-60˚С для u_КБ= - 5 В равно =23-2=21 мкА. Задаваясь значениями Е_к = 5 В и R₂ = 18 кОм, получаем = 21∙10^-6∙18∙10³/(1,4∙5) = 0,054 = 5,4%.

Если задаться большим значением R₂, например R₂=30 кОм, то расчет по формуле (35) дает:

=21∙10^-6∙30∙10³/(1,4∙5) = 0,09 = 9%.

Таким образом, повышение сопротивления резистора R₂(R₁) приводит к ухудшению температурной стабильности схемы.

Граничные значения периода автоколебаний. Граничные значения периода автоколебаний определим на примере симметричного мультивибратора Т=1,4 RC, то минимальный период определяется предельно малым значением постоянной времени разрядной цепи RC.

Разрядное сопротивление R задает при выбранном сопротивлении резистора R_к режим транзистора. Для режима на грани насыщения коэффициент насыщения К_нас=1, для неглубокого насыщения – К_нас ≤4. Так как именно эти два режима используются в схемах мультивибратора, то соотношения для приведенных значений К_нас принимают вид:

.

Минимальное сопротивление R определяется минимальным сопротивлением резистора R_к. Для обеспечения нормального теплового режима транзистора сопротивление R_к должно быть выбрано большим Е_к/I_{К и..макс.}, где I_{К и..макс} приводимый в справочниках для данного типа транзистора.

Для маломощных транзисторов R_{к. мин.} выбирают:

R_{к. мин} =0,5 1 кОм,

для мощных –

R_{к. мин} =200 300 кОм.

Минимальное сопротивление R для большинства германиевых бездрейфовых маломощных транзисторов не может быть взято менее 3…5 кОм.

Минимальная емкость конденсатора С не может быть взята менее С_мин = 1000пФ. При меньших емкостях С наблюдается значительное уменьшение заряда на конденсаторе в течение времени рассасывания t_рас неосновных носителей базы закрываемого транзистора. В результате положительный скачок напряжения на базе закрываемого транзистора U_Бm оказывается значительно меньше U_m ≈ E_к. Как видно из формулы

Т = 2RCln(1+U_Бm/E_к),

величина периода падает. Уменьшение периода за счет явления разряда конденсатора за время t_рас весьма нестабильно из-за зависимости величины t_рас от температуры.

При минимально возможных значениях R_мин и С_мин мультивибратор генерирует импульсы с периодом Т_мин=1,4 мкс. Верхнее граничное значение периода автоколебаний Т_макс определяется предельно большим значением постоянной времени цепи RC. Ранее было показано, что с увеличением R ухудшается температурная стабильность периода. При сопротивлениях резистора R>35 кОм схема мультивибратора на германиевых транзисторах генерирует импульсы с относительной нестабильностью не менее 10%. При дальнейшем повышении R относительная нестабильность резко возрастает.

В связи с ограничением, налагаемым на сопротивление R_макс, заданный период Т реализуют за счет применения больших емкостей хронирующих конденсаторов С. Ограничивающим фактором при выборе емкости С является размер конденсатора. В современных миниатюрных конструкциях емкость времязадающего конденсатора С при использовании навесных элементов ограничивается 0,1 мкФ, а при использовании интегральных схем 10000пФ.

При С_макс=0,1 мкФ и при R_макс=30 кОм, обеспечивающим работу мультивибратора с относительной нестабильностью =9% , величина Е определенная по формуле (33), составляет Т_макс=1,4R_максС_макс=1,4∙30∙10³∙0,1∙10^-6=4,2∙10^-3 с = 4,2 мс, а при С=10 000 пФ Т_макс = 420 мкс.

Таким образом, автоколебательный мультивибратор с коллекторно-базовыми связями при допустимой нестабильности < 10% генерирует импульсы от единиц микросекунд до единиц миллисекунд. Поэтому рассмотренный мультивибратор относят к классу схем микросекундного диапазона.

Методы регулировки периода автоколебаний. В симметричном мультивибраторе базовые цепи питаются от отдельного источника Е₀. Кроме того, с коллекторов в цепи базы передается не весь перепад напряжения U_m, а только часть его U_Бm, определяемая положением движков потенциометров R_К.

Поэтому формула для определения периода автоколебаний Т при пренебрежении величиной I_КБОR << E_К после замены U_m на U_Бm и Е_К на Е₀ примет вид:

T = 2RC ln(1+U_Бm/E₀).

Из этой формулы видно, что регулировку периода автоколебаний можно производить изменением: 1) емкости конденсатора С; 2) сопротивления разрядного резистора R; 3) управляющего напряжения Е₀; 4) положительного перепада напряжения на базе запираемого транзистора U_Бm.

1. Способ регулировки Т за счет изменения емкости С находит широкое применение. Изменение емкости от С_мин = 1000 пФ в сторону повышения позволяет осуществлять регулировку периода автоколебаний мультивибратора в широких пределах по линейному закону. Однако плавная регулировка периода автоколебаний этим методом встречает конструктивные трудности в связи с необходимостью применения конденсатора переменной емкости. Данный способ используется для дискретного изменения периода путем смены (переключения) конденсаторов.

2. Регулировка периода автоколебаний за счет изменения разрядного сопротивления R находит ограниченное примечание по двум причинам. Во-первых, изменение сопротивления R приводит к изменению режима открытого транзистора. При очень малых R << h_21ЭR_К транзистор входит в глубокое насыщение. При этом замедляется процесс опрокидывания мультивибратора из-за конечного времени рассасывания неосновых носителей базы запертого транзистора, и происходит частичный сброс напряжения на конденсаторе С. В результате этого период автоколебаний уменьшается по сравнению с расчетной величиной. При очень больших R режим открытого транзистора оказывается ненасыщенным При этом режиме изменение R приводит к изменению амплитуды выходного импульса. Во-вторых, при очень больших значениях R (R > 30 кОм) возрастает влияние изменения обратного тока I_КБО коллекторного перехода закрытого транзистора на стабильность периода автоколебаний. В-третьих, форма импульсов искажается.

3. Способ регулировки Т за счет изменения Е₀ поясняет следующим образом. При изменении Е₀ от Е_макс до Е_0макс обеспечивается диапазон регулирования t_и..мин. – t_и.макс (Т_мин - Т_макс). В связи с тем, что мультивибратор часто используется в качестве преобразователя «напряжение – временной интервал», регулировка периода автоколебаний мультивибратора за счет изменения управляющего напряжения Е₀ является наиболее желательной Однако реализация этого способа в мультивибраторе приводит, во-первых, к изменению режима открытого транзистора и, во-вторых, не обеспечивает линейного закона изменения периода автоколебаний при изменении Е₀.

Схема электрическая принципиальная мультивибратора приведена на рис.1. Имеется несколько макетов, выполненных по данной схеме, отличающихся друг от друга параметрами электрорадиоэлементов. Схема соединения мультивибратора с измерительными приборами приведена на рис. 2. При измерении электрических режимов электрорадиоэлементов осциллограф следует подключать непосредственно к выводам исследуемого элемента.

Рисунок 1.- Мультивибратор. Схема электрическая принципиальная.

Рисунок 2. Схема соединения мультивибратора с измерительными приборами