0

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КОЛОМЕНСКИЙ ИНСТИТУТ

Утверждено Учебно-методическим Советом КИ МГОУ Председатель Совета _________ А.М.Липатов

Кузин В.Е.

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Методическое пособие к лабораторным работам

Коломна 2003

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 3

2. ТРИГГЕР 3

3. ОДНОВИБРАТОР 5

4. МУЛЬТИВИБРАТОР 6

5. РАСЧЕТ И НАСТРОЙКА ИССЛЕДУЕМЫХ СХЕМ 7

5.1. РАСЧЕТ ТРИГГЕРА 7

5.2. РАСЧЕТ ОДНОВИБРАТОРА 8

5.3. РАСЧЕТ МУЛЬТИВИБРАТОРА 9

6.НАСТРОЙКА СХЕМ ТРИГГЕРА, ОДНОВИБРАТОРА, МУЛЬТИВИБРАТОРА 9

6.1. НАСТРОЙКА ТРИГГЕРА 9

6.2. НАСТРОЙКА ОДНОВИБРАТОРА И МУЛЬТИВИБРАТОРА 11

6.ПРОГРАММА РАБОТЫ 11

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 12

ЛИТЕРАТУРА 12

1. Общие положения

Релаксационными генераторами называют электронные устройства, которые могут скачком переходить из одного состояния равновесия в другое либо под действием внешних запускающих сигналов, либо под воздействием внутренних процессов. Скачкообразный характер переходных процессов обуславливается наличием положительной обратной связи (ПОС) в схеме релаксатора. ПОС обеспечивает необходимые для устойчивой работы генератора баланс фаз и баланс амплитуд.

В подавляющем большинстве схем транзисторных релаксационных генераторов в качестве элементов, задающих цикличность или определенное время их работы, используются конденсаторы совместно с резисторами. По сравнению с временем скачкообразного перехода транзисторов из одного состояния в другое изменение напряжения на конденсаторах происходит с невысокой скоростью.

Триггер, одновибратор и мультивибратор на транзисторах с коллекторной связью широко применяется для счета, преобразования и генерации импульсных сигналов. Все три устройства имеют много общего, как в схеме, так и в расчете элементов и поэтому рассматриваются в одной лабораторной работе.

Перечисленные устройства, особенно триггер, имеют много модификаций. В работе для исследования выбраны схемы, в которых используется режим насыщения транзисторов. В этих схемах уровни выходного напряжения не зависят от разброса параметров, однако, быстродействие их меньше, чем в схемах, использующих ненасыщенный режим транзисторов.

2. Триггер

На рис.1 приведена схема триггера, в котором напряжение с коллектора одного транзистора подается на базу другого (триггер с коллекторной связью). В схеме применены два источника питания: коллекторного напряжения E_к и базового смещения Е_см.

Схема триггера может длительно находиться в каждом из двух устойчивых состояний, когда один транзистор открыт и насыщен, а другой полностью заперт (в режиме отсечки).

Рассмотрим случай, когда транзистор VТ₁ открыт, а VТ₂ закрыт. Потенциал на коллекторе закрытого транзистора VТ₂ близок по величине к Е_к. Этот отрицательный потенциал через резистор R₂ подается на базу транзистора VТ₁ и открывает его до состояния насыщения. На коллекторе насыщенного транзистора VТ₁ потенциал близок к нулю. Поэтому транзистор VТ₂ заперт напряжением базового смещения Е_см.

Это состояние триггера может сохраняться неопределенно долго. Поскольку все элементы схемы симметричны, одинаково возможно и другое устойчивое состояние, когда транзистор VТ₁ закрыт, а VТ₂ открыт.

Для перевода триггера из одного состояния в другое на схему нужно подать запускающий импульс. Входную цепь триггера можно выполнить несколькими способами. На рис.1 показан вариант так называемого счетного входа.

На схему воздействуют запускающие импульсы u_вх только положительной полярности, которые через диоды VD₁, VD₂ проходят на базы обоих транзисторов. Транзистор VТ₂ при этом остается в прежнем (закрытом) состоянии, а транзистор VТ₁ через некоторое время, необходимое для выхода его из насыщения, меняет свое состояние (закрывается). По окончании запускающего сигнала оба транзистора запираются, но токи i₁ и i₂ в схеме (показаны на рис.1) в этот момент не одинаковы. Дело в том, что до поступления запускающего импульса емкость С₁ была разряжена почти до нуля, а емкость С₂ заряжена. Она обладает большим сопротивлением запускающему току i₂. Таким образом, к моменту окончания импульса запуска в схеме протекают сравнительно большой ток i₁ и сравнительно малый ток i₂.

Токи i₁ и i₂, создавая падения напряжения на резисторах R₃ R_4, стремятся открыть оба транзистора вопреки действию напряжения Е_см. Однако, поскольку i₁>i₂, открывается транзистор VТ₂. Напряжение на его коллекторе снижается, что приводит к уменьшению тока i₂ и дальнейшему более полному запиранию транзистора VТ₁. Триггер опрокидывается: транзистор VТ₁ закрывается, VТ₂ открывается.

В процессе опрокидывания схемы важную роль, таким образом, играют емкости С₁, С₂. Во время действия запускающего сигнала они запоминают предыдущее состояние схемы, а затем ускоряют процесс опрокидывания, передавая на базы транзисторов быстрые изменения соответствующих коллекторных напряжений.

На рис.2 приведена диаграмма напряжений, иллюстрирующая работу триггера. Начало диаграммы соответствует описанному выше состоянию схемы с открытым транзистором VТ₁ и закрытым VТ₂. На коллекторе транзистора VТ₂ имеется большое отрицательное напряжение U_кмах, а на коллекторе VТ₁ – небольшое напряжение U_{к мин} (рис.2, б, в). В момент времени t₁ подается запускающий импульс u_вх (рис.2, а) и триггер опрокидывается: напряжение u_к2, оставаясь отрицательным по знаку, уменьшается по абсолютной величине, а напряжение u_к1 возрастает по абсолютной величине. В момент t₂, t₃ и т.д. приходят новые запускающие сигналы, и по каждому из их состояние схемы меняется. Таким образом, при последовательной подаче запускающих импульсов на выходе триггера появляются отрицательные импульсы напряжения, близкие по форме к прямоугольным и имеющие скважность Q=2 (рис.2, г).

Показанные на рис.2, г временные характеристики – время t_ф1 и t_ф2 фронта и спада отрицательного импульса на выходе – определяется частотными свойствами транзисторов и режимом схемы (коэффициентом насыщения открытого транзистора).

На быстродействии триггера сказывается также следующее обстоятельство. Сразу же после опрокидывания схемы емкость С₁ (С₂), ранее заряженная до величины U_{к макс}, начинает разряжаться до U_{к мин}. Пока этот разряд не кончится, схема не готова к приему следующего запускающего импульса: требуется время для восстановления ее исходного состояния. Разряд считается практически оконченным в момент, когда напряжение на конденсаторе снижается до величины 10% U_{к макс}.

Особенности работы триггера (наличие устойчивых состояний и опрокидывание схемы при подаче каждого запускающего импульса) обуславливают применение этого устройства в цифровых автоматах. Триггеры используются для запоминания цифровой информации, для преобразования импульсных сигналов в сигналы, представленные уровнем напряжения, для счета импульсов.