1.2.1.2. Рекомендации по расчету схемы

Исходными данными при расчете обычно являются: амплитуда генерируемых импульсов U_М, их частота f или период T, длительность t_и выходного импульса положительной полярности на нагрузке, параметры нагрузки, длительности фронтов выходного импульса t_н и t_c, температурный диапазон, стабильность частоты.

Условимся считать нагрузку включенной в цепь коллектора транзистора VT2, а характер ее – чисто активным. Также будем считать значения параметров схемы соответствующими их значениям при номинальных условиях.

Ниже предлагается последовательность этапов расчета.

1. Определяем напряжения источника питания Е_к = U_М.

2. Выбираем тип транзисторов, параметры которых удовлетворяют следующим значениям: U_к доп > Е_к; U_кб доп > 2Е_к; I_к доп > > I_кн; f > 1/2t_c.

3. По формуле (1.11) для известного значения R_к2 = R_н находим величину емкости С_б1.

4. Находим величину R_б2 = R_{к202(мин)}.

5. Из формулы (1.15) находим С_б2.

6. Находим t_и1=T – t_и2 и рассчитываем R_б1.

7. Находим R_к1=R_б1/ _01(мин).

8. Рассчитываем значения выходных параметров схемы с учетом температурных изменений и разброса величин элементов схемы. И в случае их несоответствия требуемым или осуществляем необходимую коррекцию выбора и расчета элементной базы, или переходим к более качественной схемной реализации генератора.

Контрольные вопросы

1. Назовите условия, необходимые для возбуждения колебаний в электронном усилителе.

2. Дайте определение схемы автоколебательного мультивибратора.

3. Поясните назначение элементов схемы мультивибратора.

4. Запишите условия обеспечения неустойчивого состояния равновесия в схеме мультивибратора.

5. Запишите соотношения для расчета параметров выходных импульсов мультивибратора.

6. Как влияют на параметры выходных импульсов схемы изменения питающего напряжения, температуры?

7. Чем определяется максимальная частота генерируемых импульсов?

8. Как можно управлять частотой генерируемых импульсов?

9. Нагрузка подключена параллельно транзистору. Как это повлияет на работоспособность схемы и значения ее выходных параметров?

10. Нагрузка подключена к коллектору транзистора через разделительный конденсатор. Нарисуйте график напряжения на нагрузке.

1.2.2. Ждущий мультивибратор (одновибратор) на биполярных транзисторах

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

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).

Рис. 1.5

Рис. 1.6

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 рис. 1.5.

Для более подробного анализа схемы рассмотрим следующие этапы ее работы.

а) Устойчивое состояние равновесия

На этом этапе обеспечиваются 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, показанные 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_к1 = E_к, U_к2 = 0, I_к1 = I_к01, I_к2 = E_к / R_к2. Отметим также, что напряжение на конденсаторе С_б2 здесь равно U_Сб2 = 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_к1 u_б2i_б2i_к2u_к2u_б1i_б1i_к1 u_к1.

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, т. е. 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, т. е.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 приближенным соотношением для расчета времени включения транзисторного ключа и записать:

, (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_к2. (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 не только определяет длительность генерируемого импульса, но и является нагрузкой для коллекторной цепи VT2, что позволяет воспользоваться соотношением

t_н1 3С_бR_к1. (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, 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_к1C_б. (1.27)

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