3.2 Генератор тактовых импульсов (опорный генератор)

В качестве опорного генератора используем простой мультивибратор, элементная база которого состоит из двух идентичных транзисторов. При этом транзистор будем считать безынерционным элементом, а схему мультивибратора симметричной (Rk1= Rk2 = Rk; C1= C2= C ; Rб1= Rб2= Rб).

Принцип функционирования.

Предположим, что в момент t0 происходит очередное переключение мультивибратора, и транзистор VT1 попадает в режим насыщения, a VT2 - в режим отсечки. С этого момента в схеме начинают протекать два самостоятельных процесса, связанные с перезарядом емкостей С₁ и С₂.

К моменту t=t0, конденсатор С₂ полностью разряжен и после насыщения транзистора VT1 начинается заряд этого конденсатора через резистор Rk2.

(1.1)

Так как конденсатор С₂ через эмиттерный переход насыщенного транзистора VT1 шунтирует коллектор-эмиттерные выводы транзистора VT2, то процесс его заряда определяет скорость изменения коллекторного напряжения транзистора VT2. Полагая, что процесс заряда заканчивается в момент Uc2=0,9Eп, для длительности фронта коллекторного напряжения транзистора справедливо выражение:

(1.2)

В момент t0 ток базы транзистора VT1 складывается из постоянного тока резистора Rб1 и импульсного тока заряда конденсатора С₂. Поэтому сразу после насыщения ток базы VT1 существенно больше необходимого для его насыщения, и напряжение эмиттерного перехода транзистора VT1 имеет максимальное значение - UБЭ1 и. По мере заряда конденсатора С₂, напряжение UБЭ1, падает до величины UБЭ1 н, определяемой только током резистора Rб1.

Рис. 5 Схема симметричного мультивибратора (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

Второй процесс в схеме связан с разрядом ранее заряженного почти до напряжения питания E_п конденсатора С₁. Этот разряд происходит через насыщенный транзистор VT1, источник питания E_п, и резистор Rб1. Так как VT1 насыщен, то UБЭ2 ≈ UС1 и VT2 надежно заперт.

Процесс разряда конденсатора С₁ описывается выражением

(1.3)

Этот процесс заканчивается в момент, когда UС1=0. Решая (1.3) относительно времени, для длительности разряда конденсатора С₁ получаем,

(1.4)

В момент t2 произойдет очередное переключение транзисторов. Транзистор VT1 запирается, а транзистор VT2 насыщается. Далее процесс пойдёт аналогично описанному. Поэтому длительности интервалов t3-t2 и t4-t2 можно определить соответственно из выражений (1.2) и (1.4) при замене Rб1С1 на Rб2С2 и Rк1С1 на Rк2С2.

Таким образом, длительность нахождения схемы в квазиустойчивом состоянии определяется процессами разряда, а длительность фронта коллекторного напряжения - процессами заряда конденсатора связи. Сравнивая (1.2) и (1.4), можно сказать, что поскольку

б/Rк = h21Э /S,

где S -степень насыщения транзистора (обычно S=1,5...2), то длительность фронта коллекторного напряжения, равная длительности интервала подготовки схемы к следующему переключению, всегда меньше длительности импульса выходного напряжения.

В рассматриваемом случае выходное напряжение автоколебательного мультивибратора близко к прямоугольному, причем длительности импульса tИ и паузы tП выходного напряжения равны между собой (t2-t0 и t4-t2).

Если симметрия схемы нарушена, то на выходах формируется напряжение, для которого tИ ≠ tП. При проектировании таких схем необходимо заботиться о том, чтобы во всех режимах работы время подготовки схемы к следующему переключению было меньше или равно времени нахождения схемы в квазиустойчивом состоянии.

Частота выходного напряжения симметричного автоколебательного мультивибратора не зависит от напряжения питания и полностью определяется параметрами его элементов

(1.5)

Следует отметить, что как видно из временных диаграмм работы мультивибратора полученный импульс не является строго прямоугольным. Это происходит из-за того, что при запирании конденсатор заряжается через сопротивление коллекторной нагрузки, т.е. ведёт себя как «паразитная» ёмкость. Для устранения этого недостатка вводятся диоды D1 и D2 и сопротивления R_d1=R_d2=R_k. Благодаря им при запирании конденсаторы будут заряжаться через эти сопротивления:

Рис.6 Схема мультивибратора

Расчёт.

Для реализации схемы генератора, вырабатывающего импульсную последовательность частотой 50 кГц, и скважностью импульсов 4 используем следующую последовательность расчёт мультивибратора.

Период импульса составляет:

Длительность паузы при скважности Q=4 составляет:

Длительность импульса составляет:

Расчет проведём в следующем порядке:

1. Выбираем тип транзисторов из следующих условий U_{К ДОП}=2EП, f_ГР100МГц, I_{К ДОП}20мА. Так как мой источник питания имеет положительную полярность следует выбирать транзисторы n-p-n-типа.

Перечисляемым условиям удовлетворяет n-p-n-транзистор КТ331А-1, для которого:

U_{К ДОП}=15 В ; h21 =30…90 ; fГР =450 МГц ; I_{К ДОП}=20мА; U_БЭнас=0,8 В;_{КЭ нас}=0,3 В

2. Определяем RК1=RК2= RК =E/I_K, принимаем I_К=(0,60,8)I_{К MAX}.

По ГОСТ выбираем 360 Ом.

. Рассчитываем Rб1= Rб2= Rб =h21∙RК/S, S - степень насыщения, обычно S=(1,22).

По ГОСТ выбираем 15 кОм.

. Емкость конденсаторов С₁ и С₂ можно определить по формулам:

Откуда,

По ГОСТ выбираем 470 nF и 1,3 μF.

5. Расчётная длительность фронтов.

Переднего фронта:

Заднего фронта:

Длительность фронтов меньше 0,1 длительности импульса, поэтому корректировки фронтов не требуется.