Мультивибраторы.

Автогенератор прямоугольных импульсов, длитель­ность и частота следования которых определяется параметрами времязадающих RC-цепей, называют мультивибратором (от уже упоминаемого мулъти и лат. vibro — колеблю). Мультивибраторы имеют два временно устойчивых (квазиус­тойчивых) состояния, и их переключение обусловлено процессами, протекаю­щими во времязадающих RC-цепях.

Классическая схема симметричного мультивибратора. Схема симметрич­ного мультивибратора содержит два усилительных транзисторных ключа, взаимно охваченных с входов на выходы двумя петлями положительных ОС: одна из них образована резистивно-емкостной цепью R₁C₁, а другая — иден­тичной цепью R₂C₂ (рис. 6.18, а).

Рассмотрим работу классической схемы мультивибратора, полагая, что тран­зисторы практически неинерционные (т. е. достаточно высокочастотны) и пере­ключаются мгновенно. Упрощенные временные диаграммы на-пряжений на ба­зах и коллекторах обоих транзисторов показаны на рис. 6.18, б.

Пусть в момент времени t = 0 анализируемый мультивибратор находится в квазиустойчивом состоянии, при котором транзистор VT₁ открыт и насыщен, а транзистор VT₂ закрыт. В схеме в этом случае имеет место следующее со­стояние — напряжение на коллекторе транзистора VT₁ U_к1 = 0; напряжение на коллекторе транзистора VT₂ составляет U_к2 = E_к; конденсатор С₂ разряжен, и напряжение на нем и на базе транзистора VT₁ будет U_б1 = 0; конденсатор С₁ заряжен, и напряжение на нем и на базе транзистора VT₂ равно U_б2 = E_к. Та­кое состояние мультивибратора не является устойчивым, и в схеме одновре­менно имеют место два процесса. Первый из них связан с зарядом конденса­тора С₂ током, протекающим по цепи: источник +E_к, резистор R_к2, конденса­тор С₂ цепь база — эмиттер транзистора VT₁. Второй процесс обусловлен перезарядом конденсатора С₁ током, протекающим по цепи: источник +E_к, резистор R₁, конденсатор С₁, цепь коллектор-эмиттер открытого транзистора VT₁. Поскольку в мультивибраторе всегда сопротивления R₁ > R_к2 (соответст­венно и R₂ > R_к1), то постоянная времени перезаряда конденсатора С₁: τ_п = R₁C₁ больше постоянной времени заряда конденсатора С₂: τ_з = R_к2C₂

В момент времени t₁ напряжение на конденсаторе С₁, а значит и на базе транзистора VТ₂ станет равным нулю. Этот транзистор откроется, через него потечет коллекторный ток, вызывая уменьшение напряжения U_к2. Отрица­тельный скачок данного напряжения через конденсатор С₂ передастся на ба­зу транзистора VT₁, приводя последний к призакрыванию и увеличению его коллекторного напряжения U_к1. Положительный скачок напряжения U_к1 че­рез конденсатор C₁ поступит на базу транзистора VT₂, что еще больше от­кроет этот транзистор. В схеме начинается лавинообразный процесс, закан­чивающийся переключением мультивибратора в другое квазиустойчивое со­стояние, когда транзистор VT₂ открыт и насыщен, а транзистор VT₁ закрыт. При этом конденсатор C₁ будет практически разряжен, а конденсатор С₂ за­ряжен до напряжения U_б1 = −E_к. На интервале t₁...t₂ происходит перезаряд конденсатора С₂ и заряд конденсатора C₁, и в момент времени t₂ произойдет новое переключение мультивибратора. Далее процессы в схеме начнут пе­риодически повторяться, а на коллекторах транзисторов будут формировать­ся импульсы выходного напряжения.

Длительность импульсов напряжения на коллекторах транзисторов соот­ветствует времени перезаряда соответствующего конденсатора. Можно по­казать, что для симметричного мультивибратора, у которого С₁ = С₂ = С, R₁ = = R₂ = R и R_к1 = R_к2 = R_к, длительность импульса определяется формулой:

Очевидно, что период повторения импульсов

Пример 6.4. Длительность выходного импульса мультивибратора (см рис. 6 18, а) должна составлять τ_и = 14 мкс. Определить параметры времязадающей цепочки.

Решение. Зададимся приемлемым сопротивлением резистора RC-цепочки R = 1 кОм. То­гда, согласно формуле (6.6), находим, что емкость мкФ.

Мультивибраторы на логических элементах. Такие схемы мультивибраторов широко используют в качестве задающих автогенераторов в различных цифровых устройствах. Простейшая схема симметричного мультивибратора на базовых ло­гических элементах И-НЕ, взаимно охваченных положительными ОС с помощью двух времязадающих цепочек R₁C₁ и R₂C₂, показана на рис. 6.19, а.

Положим, что на интервале времени 0... t₁ (рис. 6.19, б) мультивибратор на­ходится в состоянии, когда элемент DD1 закрыт, и на его выходе логическая «1», а элемент DD2 открыт, и на его выходе логический «0». Конденсатор С₂ будет заряжаться выходным током элемента DD1, протекающим через резистор R₂ (ведь диод VD2 закрыт). Напряжение U_вх2, выделяемое на резисторе R₂, уменьшается по экспоненте (рис. 6.19, б) и определяется известной формулой:

(6.8)

где τ₂ = R₂C₂ — постоянная времени цепи R₂C₂.

В момент времени t = t₁ напряжение U_вх2 достигает порогового значения U_пoр, при котором элемент DD2 переходит из состояния «0» в состояние «1», изменяя свое выходное напряжение. Скачок этого напряжения U_вых2 = U₁ через конден­сатор С₁ подается на вход элемента DD1, переводя его в состояние «0». Так как напряжение на выходе элемента DD1 при этом уменьшилось до нуля, то кон­денсатор С₂ начнет разряжаться. В результате данного процесса на резисторе R₂ возникнет отрицательное напряжение, открывающее диод VD2. Вследствие это­го конденсатор С₂ быстро разрядится через открытый диод до нулевого напря­жения. После окончания процесса мультивибратор в момент времени t = t₁ скач­кообразно изменит свое состояние, при котором U_вых2 = U₁ (рис. 6.19, г).

Одновременно, начиная с момента времени t = t₁ происходит заряд конден­сатора С₁, и затем напряжение на входе логического элемента DD1 уменьшает­ся. Когда в момент времени t = t₂ напряжение U_вх1 = U_пор (рис. 6.19, д), мульти­вибратор опять скачкообразно изменит свое состояние. Далее процессы в схеме мультивибратора начнут периодически повторяться.

Длительность импульса при которого С₁ = С₂ = С, R₁ = = R₂ = R будет:

Схемотехнически современные мультивибраторы выполняются в виде от­дельных интегральных микросхем.