8.6. Автоколивні мультивібратори

Автоколивний мультивібратор – це релаксаційний автогенератор напруги прямокутної форми. Термін "автогенератор" означає, що він генерує коливання, які не згасають без будь–якого запуску ззовні і не має стійких станів рівноваги. Релаксаційний характер вихідних коливань вказує на те, що умови самозбу­дження (див. формули (7.6) та (7.7)) виконуються в широкому діапазоні частот. У мультивібраторі частота слідування імпульсів прямокутної форми, що періодично повторюються, визначається параметрами кіл, які задають час, властиво­стями схеми й режимами її живлення. На частоту автоколивань впливає наван­таження. Часто автоколивний мультивібратор застосовують як генератор імпу­льсів великої тривалості, які далі використовують для формування імпульсів необхідної тривалості та амплітуди. Таким чином, мультивібратори, що працюють в автоколивному режимі, застосовують як задавальні генератори. В зв'язку з цим до мультивібратора ставляться вимоги високої стабільності частоти, якої можна досягти лише застосуванням спеціальних заходів. Відносна неста­більність частоти, під впливом дестабілізуючих факторів становить приблизно кілька відсотків.

При проектуванні автоколивних мультивібраторів як елементну базу використовують біполярні транзистори, а також аналогові та цифрові інтегральні схеми. Останніми частіше є операційні підсилювачі й ло­гічні елементи. Напівпровідникові прилади в мультивібраторах працюють в ключовому режимі.

Рис. 8.14

До складу серій 119 та 218 входять автоколивні мультивібратори з інтегральними схемами, аналогічними схемам мультивібраторів на транзисторах. Вони містять додаткові елементи корекції форми імпульсів, захисні діоди, а також елементи для вимикання режиму насичення. Деякі схе­ми мультивібраторів; в інтегральному виконанні не мають в своєму складі конденсаторів, які задають час, що дозволяє використовувати такі схеми у будь–якому діапазоні частоті навісними конденсаторами необхідних номіналів.

Симетричні мультивібратори в інтегральному виконанні. Автоколивний мультивібратор в інтегральному виконанні аналогічний симетричному муль­тивібратору з колекторно–базовим позитивним зворотним зв'язком (рис. 8.14, а). Симетричність схеми означає ідентичність симетрично розміщених елементів, тобто R_С1 = R_С2 , R_В1 = R_В2, С_В1 = С_В2, параметри транзисторів однакові. Мультивібратор складається з двох підсилювальних каскадів за схе­мою ЗЕ, вихідна напруга кожного з яких подається на вхід другого.

Якщо ввімкнути напругу джерела живлення Е_С , то обидва транзистори пропускають колекторні струми (їх робочі точки знаходяться в активній об­ласті І (див. рис. 8.3,б), тому що на бази через резистори R_B1 та R_B2 подається від'ємне зміщення. Але такий стан не стійкий. За наявності в схемі по­зитивного зворотного зв'язку легко виконується умова , і двокаска­дний підсилювач самозбуджується. Починається процес регенерації, тобто швидке збільшення струму одного транзистора й зменшення струму другого.

Уявімо, що В результаті будь–якої випадкової зміни напруги на базах або колекторах трохи збільшиться струм І_С1 транзистора VT1. При цьому збі­льшиться спад напруги на резисторі R _С1, і позитивний потенціал колектора в транзисторі VT1 матиме приріст. Через те що напруга на конденсаторі С_В1 миттєво змінитися не може, цей приріст подається на базу транзистора VT2, призакриваючи його. Колекторний струм І_С2 при цьому зменшується, напруга на колекторі транзистора VT2 стане більш негативною і, пе­редаючись через конденсатор С_В2 на базу транзистора VT1, ще більше від­криває його, збільшуючи струм І_С1. Цей процес відбувається лавиноподіб­но й завершується тим, що транзистор VT1 входить у режим насичення, а транзистор VT2 – в режим відсічки. Схема переходить в один зі своїх тимчасових стійких станів (квазистійкий стан). При цьому відкритий стан транзистора забезпечується зміщенням від джерела Е_С через резистор R_B1, а закритий стан транзистора VT2– позитивною напругою на конденсаторі С_В1 (U_СВ1 = U_В2 > 0), який через відкритий транзистор VT1 ввімкнений у проміжок база–емітер транзистора VT2. Описані процеси відповідають моменту часу t = 0 на рис. 8.14, б. Тепер конденсатор С_В2 швидко заряджається в колі + Е_С – емітер – база VT1– С_В2 – R_С2 – Е_С до напруги Е_С. Конденсатор С_В1 заряджений в попередньому періоді, перезаряджається через резистор R_B2 і відкритий транзистор VТ1 струмом джерела жи­влення Е_С, Напруга на конденсаторі С_В1 прагне зменшитися до – Е_С (див. графік для U_В2 ). В момент часу t₁ напруга U_СВ1 = U_В2 змінює знак, внаслідок чого відкривається транзистор VT2 й виникає струм І_С2. Збіль­шення струму І_С2 призводить до процесу аналогічного описаному вище, коли збільшується струм І_С2 . Внаслідок цього транзистор VT2 входить у режим насичення, а транзистор VT1– в режим відсічки (другий тим­часовий стійкий стан). В інтервалі часу t₁– t₂, відбувається заряджання кон­денсатора С_В1 та перезаряджання конденсатора С_В2.

Таким чином, мультивібратор періодично переходить з одного тим­часового стійкого стану в другий, а вихідна напруга, що знімається з колек­тора будь–якого транзистора, має майже прямокутну форму.

Напруга на базі будь–якого з транзисторів для перезаряджання конденса­тора С_В1 змінюється за експоненційним законом (рис. 8.14, б):

U_B = 2Е_C exp(–t/τ_B) –Е_C , (8.20)

де τ_B = R_BС_B; R_В1 = R_B2 = R_B; С_B1 = С_В2 = С_В. При t = t₁ U_В = 0. З рівності (8.20) визначимо тривалість одного імпульсу t_і1 = τ_B ln2 ≈ 0,7R_BС_B.