Исследование работы автоколебательного и ждущего мультивибраторов

Цель работы: изучение принципа действия автоколебательного и ждущего мультивибраторов.

1 Краткие теоретические сведения

1.1 Введение

Мультивибратор принадлежит к обширному классу генераторов импульсов релаксационного типа, используемых для получения колебаний, резко отличающихся по форме от синусоидальных. В основном, с помощью релаксационных генераторов получают импульсы напряжения, форма которых близка к прямоугольной.

По режиму работы мультивибраторы делятся на автоколебательные и ждущие. При работе в режиме автоколебаний мультивибратор без внешнего воздействия вырабатывает импульсы, период повторения и длительность которых определяется параметрами схемы мультивибратора. В ждущем режиме мультивибратор при отсутствии внешних импульсов запуска находится в состоянии покоя (в состоянии устойчивого равновесия) и не генерирует никаких импульсов. Лишь при воздействии импульсов запуска, поступавших от внешнего генератора, мультивибратор вырабатывает только один рабочий импульс, после чего возвращается в исходное состояние. Таким образом, частота следования пульсов, генерируемых ждущим мультивибратором, задается не параметрами схемы, а частотой следования импульсов запуска. Параметры же схемы определяют длительность вырабатываемых импульсов.

1.2 Автоколебательный мультивибратор

Рассмотрим схему, показанную на рисунке 1. Это схема двухкаскадного транзисторного усилителя звуковой частоты с выходом на головные телефоны. Что произойдет, если выход такого усилителя соединить с его входом, как на схеме показано штриховой линией? Между ними возникает положительная обратная связь и усилитель самовозбудится станет генератором колебаний звуковой частоты (рисунок 2), и в телефонах мы услышим звук низкого тона. С таким явлением в приемниках и усилителях ведут решительную борьбу, а вот для автоматически действующих приборов оно оказывается полезным.

Рисунок 1 – Схема двухкаскадного усилителя

Рисунок 2 – Схема автоколебательного мультивибратора

Мультивибратор представляет собой двухкаскадный усилитель с резистивно-емкостной связью, выходное напряжение которого () полностью приложено к его входу, т.е, осуществляется 100%-я положительная обратная связь. Мультивибратор работает в режиме генератора незатухающих колебаний, при этом напряжение между коллектором и эмиттером транзистораимеет вид последовательности импульсов, близких по форме к прямоугольным (рисунок 3). Транзисторнаходится либо в открытом (интервалы,), либо в закрытом (интервалы,) состоянии. Переход из закрытого состояния в открытое и обратный переход (интервалыи) происходит очень быстро (). Транзистор, работает в противофазе с транзистором(открыт,закрыт и т.д.). В течение переходных интерваловиоба транзистора открыты, усилитель обладает большим коэффициентом усиления, токи и напряжения транзисторов изменяются очень быстро. Затем следует интервал (или) квазиустойчивого (т.е. устойчивого в течение некоторого промежутка времени) состояния, определяемого зарядом или разрядом конденсаторов.

Рисунок 3 – Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора

Мультивибратор не может находиться в состоянии, при котором токи и напряжения оставались бы неизменными при открытых, транзисторах. Считаем, что схема мультивибратора симметрична, т.е. , и, предположим, что после включения источника питания токи транзисторов одинаковы. По каким-либо причинам, например, изменение напряжения питания при неидентичности характеристик транзисторов, токи транзисторов становятся неодинаковыми. Допустим,возрос на некоторую величину, при этом коллекторное напряжение, связанное с током равенством

, (1)

уменьшается по абсолютной величине. Соответственно, напряжение на базе первого транзистора , равное

, (2)

уменьшится по абсолютной величине, т.к. напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно. Это приведет к уменьшению тока базыи коллектора, т.к.. Повторяя рассуждения, которые мы проводили, записывая уравнения (1 – 2), но уже для первого транзистора, приходим к выводу, что при этом увеличивается абсолютное значениеи, следовательно,. Последнее повлечет за собой увеличение,, т.е. действует положительная обратная связь. Описанный процесс протекает очень быстро, токи транзистора(и) возрастают до насыщения, а токи транзистораубывают до нуля, т.е. по окончании такого переходного процесса (интервал)открыт (насыщен),закрыт.

Следовательно, будем считать, что до момента(рис. 2) транзисторбыл закрыт,- открыт. На графиках рис. 2 мы пренебрегаем коллекторным напряжением насыщения в временными интерваламииввиду их малой величины. Очередное опрокидывание схемы происходит при, когда напряжение на базе закрытого транзистора становится отрицательным. Итак,- открывается, переходят в насыщение и его коллекторное напряжение падает практически до 0. Напряжениена емкостив первый момент не меняется и остается равным(т.к. потенциалдо скачка был равен нулю, а потенциалбыл равен). Отсюда следует, что токв моментвозрастает от нуля до величины. Слагаемоеобусловлено тем, что сопротивлениепосле скачка находится под напряжением

. (3)

Перед перебросом схемы напряжение на было близко к нулю и сохраняет эту величину после скачка. Отсюда следует, что базовый ток(который до опрокидывания равен нулю) возрастает допоскольку резисторыив первый момент соединены через незаряженную емкость. Одновременно положительное напряжение на конденсаторезакрывает транзистор. Коллекторный токдо скачка равен,a после опрокидывания падает до нуля. Легко заметить, что во время переброса коллекторный ток запирающегося транзистора переходит в базу отпирающегося транзистора. Потенциал в моментне изменяется и остается близким к нулю. Это следует из того, что , где оба слагаемых очень малы. Ток , который до опрокидывания был равен, после опрокидывания уменьшается до нуля. Таков в первом приближении результат произошедшего переброса в схеме.

Начиная с момента , величины в схеме изменяются следующим образом. Потенциалы,и токи,остаются практически неизменными и близкими к нулю. Потенциалравный напряжению на конденсаторе, уменьшается с постоянной времени, стремясь к величине. Разряд емкостипроисходит по цепи – заряженный конденсатор, насыщенный транзистор, источник питания, резистори прерывается в момент, когда напряжение на конденсаторе становится отрицательным. В это же времяпроисходит заряд конденсатора, разряженного во время предыдущего периода почти до нуля. Цепь заряда –,, источник питания, открытый переход эмиттер-базы транзистора.

(4)

так как сопротивление перехода эмиттер-базы много меньше. В следствии того, что

. (5)

Следовательно, заряд конденсатора заканчивается намного быстрее, чем разряд конденсатора, который определяет длительность первого интервала квазиустойчивого равновесия мультивибратора. В момент времениотпирается транзистори происходит обратное опрокидывание схемы. При обратном опрокидывании протекает аналогичные процессы.

Отметим, что в течение всего периода параметры выходных импульсов не зависят от характеристик транзисторов, а определяются параметрами схемы. Однако надо иметь в виду, что мы не учитывали импульсных свойств транзисторов, полагая, что изменения токов в них происходят мгновенно.

Итак, амплитуда выходного сигнала близка к значению напряжения питания, а длительность импульсов определяется временем разряда емкостей связи:

; (6)

Период колебаний мультивибратора равен

(7)

Учитывая симметричность схемы,