4.3.2. Симметричный мультивибратор

Симметричный (по структуре) мультивибратор, показан на рис. 4.8.

Рабочий цикл. Работа мультивибратора в течение одного пол­ного периода описывается временными диаграммами на рис. 4.9. Открытый транзистор будем считать насыщен­ным. Очередное опрокидывание схемы происходит тогда, когда напряжение на базе ранее запертого транзистора делается равным нулю и он отпирается. При этом возрастающий коллекторный ток идет в базу другого транзистора через емкость и выводит его из насы­щения, после чего наступает регенерация.

Пусть в момент t = 0 открылся транзистор Т1, поскольку потен­циал U₆₁, уменьшаясь, достиг нулевого значения. В результате насыщения транзистора Т1 потенциал U_K1, который до скачка был равен Е_к — I_KoR_K1, падает до нуля; транзистор Т1 «стягивается в точку». Напряжение U_cl на конденсаторе С1 в первый момент не меняется и остается равным Е_к — I_K0R_K1 (так как потенциал U₆₂ до скачка был равен нулю, а потенциал U_Kl был равен Е_к — I_K0R_K1). Отсюда следует, что ток I_к1 в момент t=0 возрастет от значе­ния I_к0 до Е_к (g_K1 + 2g1). Слагаемое 2E_Kg₁ обусловлено тем, что резистор R1 после скачка находится под напряжением U_cl + Е_к  2Е_К. Напряжение на конденсаторе С₂ перед скачком было близко к нулю и сохраняет это значение непосредственно после скачка.

Отсюда следует, что базовый ток 1₆₁ (который до опрокидывания был ра­вен —I_к0) возрастает до Е_к (g_K2 + g2), поскольку резисторы R_K2 и R₂ в первый момент соединены па­раллельно через незаряженный кон­денсатор С₂. Положительный скачок потенциала U_Kl передается через кон­денсатор С₁ на базу транзистора Т₂ и поддерживает его в запертом со­стоянии.

Коллекторный ток I_к2 до скач­ка был равен E_K.(g_K2 + g₂), а пос­ле опрокидывания падает до значе­ния I_к0. Легко заметить, что ток Iк2 (-0) равен току I_б1 (+0), т. е. во время скачка коллектор­ный ток запирающегося транзистора «переходит» в базу отпи­рающегося транзистора. Потенциал U_k2 в момент t = 0 не изме­няется и остается близким к нулю. Это следует из равенства Uк2 (-0) = U61 (+0) + U_C2 (0),где оба слагаемых в правой части очень малы. Ток I_б2, который до опрокидывания был равен E_Kg_1, после опрокидывания уменьшается до —I_к0. Таков в первом при­ближении результат происшедшего переброса в схеме.

Начиная с момента t = 0 величины в схеме изменяются сле­дующим образом. Потенциалы U₆₁, U_K1и токи I_к2, I₆₂ остаются практически неизменными, близкими к нулю. Потенциал U₆₂, равный напряжению на конденсаторе С₁, уменьшается с постоян­ной времени C1R_1t стремясь к величине — (Е_к + I_K0R1) (послед­няя легко получается, если мысленно убрать из схемы запертый транзистор Т₂ и заменить его со стороны базы генератором тепло­вого тока). На самом деле разряд конденсатора прерывается по достижении потенциалом U₆₂ нулевого значения. Тогда отпи­рается транзистор Т₂ и происходит обратное опрокидывание схемы. Кривая U₆₂ пересекает ось времени весьма круто, так что момент переброса хорошо фиксирован. В момент обратного опрокидывания при t = Т₁ напряжение Uс1(T1)0. Ток I_к1 не­много уменьшается по мере разряда конденсатора С1, стремясь к установившемуся значению E_Kg_Kl. Поскольку Uс1(T1)0, ток I_к1 в конце первого полупериода будет равен Е_к (g_Kl + g1), т. е. уменьшится за время Т1 на .величину E_Kg1. Ток I_б1 зна­чительно уменьшается по ме­ре заряда конденсатора С₂, стремясь к установившемуся значению E_Kg₂; последнее должно быть достаточным для того, чтобы сохранилось насыщение. Заряд конденса­тора С₂ происходит с посто­янной времени C₂R_K2 и обыч­но заканчивается задолго до конца полупериода. Потен­циал U_к2, равный напряже­нию на конденсаторе С₂, спадает экспоненциально до установившейся величины Eк=-Iк0Rк2.

Второй полупериод ра­боты схемы (Т₂) не нуждает­ся в дополнительных пояс­нениях (в случае Т₁Т₂ термин полупериод, разумеется, условен и означает соот­ветствующую часть периода). В момент Т = Т₁ + Т₂ рабочий цикл схемы начинает повторяться.

Полагая U_б2 (T1) = 0, получаем длительность первого полу­периода:

Учитывая, что R1>> R_K, приведем выражение для первого полупериода к следующему виду:

Аналогично для второго полупериода получим:

где

является фактором теплового тока, характери­зующим отношение последнего к насыщающему току базы.

Если тепловой ток /_к0 отсутствует (кремниевые транзисторы или низкая рабочая температура), то формулы (18-2) упрощаются:

T₁=₁ln20.7C₁R₁;

T₂ = ₂1n20,7С₂R₂.

В полностью симметричном мультивибраторе, в котором

R1 = R2 = R C1= С₂ = С,

длительности полупериодов будут одинаковыми и полный рабочий период

В факторе  скрыта температурная зависимость полуперио­дов, а следовательно, и рабочей частоты. С увеличением темпера­туры увеличивается ток I_к0, длительность полу­периодов уменьшается, а рабочая частота растет. Поэтому вели­чину фактора стараются делать малой. Тогда в формуле (18-5а) можно разложить логарифм в ряд с точностью до членов первого порядка и получить приближенное выражение

Задаваясь приемлемым значением , находят необходимую величину R, а затем величину С.

Одним из способов повышения температурной стабильности является применение транзисторов с малым током I_к0, т. е. крем­ниевых. Однако, поскольку тепловые токи — не единственная причина нестабильности, использование кремниевых транзисторов не всегда решает задачу стабилизации, особенно при пониженных температурах. Не менее важными причинами являются температур­ная зависимость напряжений на переходах насыщенного транзи­стора, а также зависимость  (Т). С ростом температуры регенерация наступает раньше, т. е. длитель­ность полупериодов сокращается, а частота увеличивается.

Основными времязадающими элементами в транзисторном мультивибраторе являются емкости C₁ и С₂, поскольку сопротив­ления R1 и R₂ ограничены сверху условием насыщения, а снизу либо временем рассасывания, либо (если одновременно уменьшать R_K) потребляемой мощностью.

Увеличение емкостей в принципе не ограничено, хотя сопро­вождается существенным удлинением отрицательного фронта. Уменьшение же емкостей (повышение рабочей частоты) ограничено условием равенства положительного и отрицательного фронтов.