2005_podyak / кафедра 9

1.2.2 Ждущий мультивибратор (одновибратор) на биполярных транзисторах

Схема ждущего мультивибратора приведена на рисунке 1.5, а диаграммы, поясняющие ее работу, на рисунке 1.6.

Рис.1.5

Как и схема автоколебательного мультивибратора, ждущий мультивибратор представляет собой усилитель, собранный на транзисторах VT1, VT2, и охваченный положительной обратной связью. Эта связь осуществляется с помощью цепей C_б, R_б ( с коллектора VT1 на базу VT2) и R₁, R₂ (c коллектора VT2 на базу VT1).

Отличительная особенность схемы ждущего мультивибратора состоит в том, что ей присущи два состояния равновесия: одно из них является устойчивым, а другое неустойчивым. Переход из устойчивого состояния в неустойчивое происходит под действием входного сигнала, один из возможных способов подачи которого показан на рисунке 1.5.

Рис.1.6

Для более подробного анализа схемы рассмотрим следующие этапы ее работы:

а) Устойчивое состояние равновесия

На этом этапе обеспечивается полное запирание транзистора VT1 и насыщенное состояние транзистора VT2. Для этого необходимо выполнить условия: U_БЭ10; I_Б2I_БН2.

Пренебрегая остаточными падениями напряжения на переходах транзисторов, представленные выше неравенства легко представить в виде соотношений:

(1.18)

(1.19)

Если условия (1.18), (1.19) выполнены, то напряжения и токи соответствующих транзисторов близки к значениям : U_K1=E_K, U_K1=0, I_K1=I_k01, I_K2=E_K /R_K2. Отметим также, что напряжение на конденсаторе С_Б2 здесь равно U_CБ2 =Е_К В таком режиме устойчивого равновесия схема может находиться бесконечно долго, вплоть до прихода в момент t₁ входного запускающего сигнала U_ВХ.

б) Запуск схемы

Запуск схемы происходит под действием входного импульсного сигнала u_вх, поступающего от внешнего источника. С помощью дифференцирующей цепочки R_З, С₁ в точке “А” формируются знакопеременные укороченные импульсные перепады, при этом положительный перепад не пропускается диодом VD, поскольку в этом случае напряжение анод-катод диода оказывается отрицательным. Отрицательный же перепад пропускается диодом и через конденсатор С_Б проходит в базу транзистора VT2, что при правильно выбранных параметрах импульса запуска и цепи запуска вызывает его запирание. Далее процесс носит замкнутый характер и представляет последовательность событий:

u_вх u_k1 u_б2i_б2i_k2u_k2u_б1i_б1i_k1 u_k1

Выполнение условий возбуждения, оговоренных ранее, позволяет утверждать, что имеет место достаточно быстрый регенеративный процесс, продолжительность которого составляет порядка единиц постоянных времени _. По его окончании начинается следующий этап в работе схемы- этап формирования фронта нарастания импульса на коллекторе транзистора VT2 и фронта спада на коллекторе VT1, то есть переход схемы в новое состояние, в котором уже первый транзистор окажется в насыщенном режиме, а второй- в закрытом. Этот этап представляет по существу этап установления неустойчивого равновесия.

Обратим внимание еще на один важный момент, связанный с использованием диода (этот способ запуска называют диодным коллекторным запуском). Благодаря диоду ( после опрокидывания ) цепь запуска и коллекторная цепь VT1 оказываются развязанными друг от друга, то есть минимизируется влияние цепи запуска на параметры импульсов мультивибратора.

в) Установление неустойчивого состояния равновесия.

Чтобы обеспечить насыщение транзистора VT1 в состоянии равновесия , необходимо выполнить условие, при котором ток базы VT1 был бы не менее минимально необходимого тока, определяемого по формуле:

(1.20)

Переход в это состояние не может происходить мгновенно, этому препятствуют частотные зависимости транзистора, емкости, шунтирующие выходные цепи транзисторов и пр. Ток, отпирающий транзистор VT1, формируется в коллекторной цепи транзистора VT2 и через конденсатор С₁ (носящего название ускоряющего) передается в цепь базы. Считая его значение мало меняющимся на этапе включения VT1, можно воспользоваться известными соотношениями для расчета времени включения транзисторного ключа и записать приближенное значение:

(1.21)

где С_К- емкость коллекторного перехода

Одновременно с фронтом t_с1 формируется фронт нарастания t_н2 импульса на коллекторе транзистора VT2. Отводя основную роль в создании его длительности емкости С₁, как элементу интегрирующего звена, получим :

t_н2 3C₁R_K2 (1.22)

г) Формирование длительности импульса.

Примем за длительность импульса t_и время нахождения транзистора VT2 в закрытом состоянии, которое создается напряжением предварительно заряженного и подключенного через насыщенный транзистор VT1 к базе VT2 конденсатора С_Б. Расчетная схема для анализа переходного процесса перезаряда конденсатора С_Б полностью аналогична ранее представленной схеме рис.1.4. Потому приведем сразу конечный результат:

(1.23)

где _б=С_БR_Б

д) Возврат в состояние устойчивого равновесия

C момента достижения порога отпирания транзистора VT2 начинается регенеративная стадия возврата в исходное состояние, сопровождающаяся запиранием транзистора VT1 и отпиранием транзистора VT2.

Длительность фронта спада t_c2 импульсного напряжения на коллекторе VT2 можно оценить по формуле (1.21) (заменив соответствующие индексы).

Как правило, наибольшим оказывается время нарастания фронта t_н1, поскольку емкость С_Б определяет не только длительность генерируемого импульса, но и является нагрузкой для коллекторной цепи VT2, что позволяет воспользоваться соотношением:

t_н13С_БR_K1 (1.24)

Амплитудные значения импульсных перепадов на выходах транзисторов определяются разностью потенциалов открытого и закрытого состояний транзистора. Из рассмотрения этих режимов несложно определить:

(1.25)

(1.26)

И, наконец, еще об одном существенном параметре схемы- о быстродействии или разрешающей способности, под которой понимается минимальный интервал времени, после которого схема полностью может быть готова к приему следующего пускового импульса. Это время складывается из собственно длительности формируемого импульса и времени восстановления напряжения на коллекторе транзистора VT1:

T_Р=t_и+3..5R_K1C_Б (1.27)

Величина, обратная времени восстановления, определяет максимально возможную частоту поступления импульсов запуска.

1.2.2.1 Рекомендации по расчету схемы ждущего мультивибратора

Предлагаемая ниже последовательность этапов расчета представляет по существу вариант эскизного расчета, при котором за основу принимаются номинальные значения выходных параметров схемы . Такой предварительный расчет позволит упростить последующие расчетные мероприятия по определению реальной нестабильности выходных параметров схемы, обусловленной температурным и технологическим разбросом ранее полученных значений. элементов схемы.

Исходными для эскизного расчета являются следующие данные:

Амплитуда выходного импульса U_M2. 2. Длительность выходного импульса t_и. 3. Сопротивление нагрузки R_Н. 4. Частота повторений импульсов запуска или их период следования 5.Длительности фронтов выходного импульса t_фн, t_фс 6. Стабильность параметров выходного импульса в заданных температурных условиях и изменений питающих напряжений.

Будем считать, что нагрузка включена в цепь коллектора транзистора VT2

Предварительный расчет проводим в следующей последовательности:

1. Выбираем напряжения источников питания, исходя из соотношений

Е_К=1.1..1.2 U_М2 Е_Б=0.1…0.2Е_К

2.Выбираем тип транзисторов, параметры которых удовлетворяют условиям:

U_KЭДОПU_KЭ=E_K; U_KБДОПU_КБ=2Е_К; _<t_фс; I_KДОПI_K2=I_Н

Желательно выбирать транзисторы с небольшими значениями тепловых токов

3. Рассчитываем сопротивление R_Б, используя формулу (1.19)

4. По формуле (1.23) находим значение С_Б, пренебрегая тепловыми токами.

5. Полагая время восстановления Т_В~5R_K1C_Б, находим R_K1

6. По формуле (1.18) оцениваем значение R₂. Обычно величина R₂ выбирается в пределах 10…50 ком.

7. Из формулы (1.20) находим сопротивление R₁

Из формулы (1.22) находим значение емкости С₁. Следует обратить внимание на то, чтобы конденсатор С₁, заряженный на этапе устойчивого состояния до уровня, близкого к Е_К, успел полностью разрядиться через резисторы R₁, R₂.

7. Импульс запуска, в частном случае, представляет “длинный импульс” с амплитудой, близкой к Е_К. Параметры дифференцирующей цепи R_З, С_З выбираются таким образом, чтобы длительность импульса на входе диода не превышала бы длительности выходного импульса, то есть 3R_З С_З<t_и. Величина емкости С_З обычно не превышает значения нескольких тысяч pF.

8. Проверяем влияние технологического и температурного разбросов элементов схемы на значения ее выходных параметров и при необходимости проводим уточняющие расчеты.

1.2.2.2 Контрольные вопросы к разделу 1.2.2

1. Дайте определение схемы ждущего мультивибратора

2. Поясните назначение элементов схемы олновибратора

3. Запишите соотношения, обеспечивающие условия устойчивого состояния равновесия

4. Запишите соотношения, обеспечивающие условия неустойчивого состояния равновесия

5. Запишите выражения для определения выходных параметров схемы

6. Какую роль играют тепловые токи транзисторов?

7. Как влияют изменения питающих напряжений и температуры на параметры выходных напряжений?

8. Поясните принцип запуска схемы рис.1.5?

9. Можно ли осуществить запуск схемы рис.1.5 другим способом?

10. Поясните назначение конденсатора С₁ в работе схемы рис.1.5

11. Поясните процессы, имеющие место на различных стадиях работы схемы одновибратора

12. Поясните понятие быстродействия схемы одновибратора. Чем оно определяется?

16