11. АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

11.1. Принцип действия мультивибратора с емкостными коллекторно-базовыми связями

Мультивибраторы относятся к генераторам, предназначенным для фор- мирования напряжения или тока резко несинусоидальной (импульсной) формы, т.е. к импульсным генераторам. Мультивибраторы применяют в качестве генера- торов прямоугольных импульсов; делителей частоты; формирователей импуль- сов с заданными параметрами; каскадов плавно регулируемой временной за- держки импульсов в устройствах автоматики, вычислительной и измерительной техники. Как и другие релаксационные генераторы, мультивибраторы могут ра- ботать как в режиме автоколебаний, так и в заторможенном (ждущем) режиме, такой мультивибратор называется ждущим или однотактным.

Мультивибраторы на транзисторах представляют собой двухкаскадные апериодические, т.е. имеющие резистивную нагрузку, усилители с сильной по- ложительной обратной связью. Выход устройства соединен с входом, причем фаза сигнала обратной связи совпадает с фазой входного сигнала. В зависимо-

сти от типа усилителей различают мультивибраторы с внешне симметричными и несимметричными схемами.

Схема симметричного муль- тивибратора с емкостными коллек- торно-базовыми связями показана на рис. 11.1. Как будет видно в дальнейшем, в квазиустойчивом

состоянии один из транзисторов рассматриваемой схемы находится в закрытом (режим отсечки), дру- гой – в открытом состоянии. От- крытый транзистор может нахо- диться или в режиме насыщения, или в активном режиме. При ис- пользовании активного режима ис-

ключается отрицательное влияние на работу мультивибратора процесса рассасы- вания накопленных в базе носителей заряда. Однако форма выходного импульса напряжения в активном режиме отличается от прямоугольной. При режиме рабо- ты с насыщением форма импульсов прямоугольная, а амплитуда и длительность импульсов практически не зависят от значения сопротивления резисторов в кол- лекторных цепях транзисторов (RК1 и RК2 ). Поэтому при проектировании гене-

ратора стремятся выбрать такие значения сопротивлений резисторов R К и R Б ,

чтобы открытый транзистор находился в режиме насыщения. В этом случае ток базы транзисторов должен удовлетворять следующему условию:

ления транзистора по току в схеме с ОЭ. Условие (11.1) можно записать в виде

RБ £ RК × h21Э .

Временные диаграммы, поясняющие принцип работы мультивибратора с коллекторно-базовыми связями, показаны на рис. 11.2. Основные процессы, происходящие в мультивибраторе с коллекторно-базовыми связями, для полного рабочего цикла приведены в табл. 11.1. Сопоставление данных табл. 11.1 и графиков (см. рис. 11.2) позволяет лучше уяснить принцип действия мультивибратора.

Начало временных диаграмм соответствует середине релаксационного процесса Tр1, происходящего в схеме. В это время транзистор VT1 закрыт, а

транзистор VT2 находится в режиме насыщения.

В течение предыдущего цикла до момента времени t0 конденсатор C2

был заряжен до напряжения, близкого по значению к напряжению источника питания UИП (полярность напряжения на конденсаторе показана на рис. 11.1).

Непосредственно до момента времени t0 этот конденсатор разряжается через открытый транзистор VT2, резистор RБ1 и источник напряжения UИП (точнее,

перезаряжается напряжением источника).

Напряжение на базе транзистора VT1 примерно равно напряжению на конденсаторе C2 и является для него запирающим, т.е. потенциал базы ниже потенциала эмиттера (см. рис. 11.2):

UБ1 = −UC2 + UК н2 ,

где UC2 – напряжение на C2, UК н2 – напряжение на коллекторе транзистора

VT2 в режиме насыщения.

В момент времени t0 напряжение на конденсаторе по величине равно на- пряжению UК н2 , взятому с обратным знаком. Поэтому UБ1 = 0, и транзистор

VT1 начинает открываться. Этот процесс протекает достаточно медленно, так как появившийся ток базы IБ1 = UИП RБ1 уменьшает ток разряда конденсато-

ра, и скорость изменения управляющего напряжения на базе VT1 уменьшается (интервал времени t0 - t1 ). Лишь по мере уменьшения тока разряда конденса-

тора C2, стремящегося к нулю, нарастает ток базы IБ1. Из-за инерционных

свойств транзистора с некоторым отставанием от тока базы нарастает ток кол- лектора VT1 (см. рис. 11.2). При этом до выхода транзистора VT2 из насыще- ния ток IК1 поступает в основном в базу транзистора VT2 (этот ток связан c

малым входным сопротивлением транзистора VT2 в данный момент времени, что приводит к некоторому разряду конденсатора C1). Поэтому коллекторное напряжение UК1 остается почти неизменным, а возрастающий ток IК1 создает

отрицательный ток базы транзистора, что способствует быстрому выходу тран- зистора VT2 из насыщения (интервал времени t0 − t1 ).

Рис. 11.2

В момент времени t1 транзистор VT2 выходит из насыщения, и приот-

крывается транзистор VT1. Усилительные свойства обоих транзисторов восста- навливаются. Восстанавливается также положительная обратная связь между каскадами, и любое изменение (уменьшение) напряжения на коллекторе VT1 приводит к увеличению запирающего тока транзистора VT2, поступающего че- рез конденсатор C1, что увеличивает напряжение на его коллекторе. Напряжение на конденсаторе C2 способствует открыванию транзистора VT1. Таким образом на интервале времени t1 − t2 происходит лавинообразный

процесс регенерации.

Таблица 11.1

Таблица состояний мультивибратора

153

На следующем этапе переходного процесса (интервал времени t2 − t3 ) происходит заряд барьерной емкости транзистора VT1 (Ск1) и параллельно под- ключенных емкостей монтажа См и нагрузки Сн . Этот интервал определяет

длительность среза импульса напряжения на коллекторе VT1. К моменту време- ни t3 все быстрые процессы, вызванные опрокидыванием, заканчиваются.

Устанавливаются стационарные значения токов и напряжений транзисто- ров IК1 = IК н и IК2 = IКБ02 ( UК1 = UКн1). Однако напряжение на коллекторе

транзистора VT2 не достигает своего стационарного значения из-за процессов, связанных с восстановлением напряжения на конденсаторе C2. Восстановление этого напряжения, начавшееся еще в момент времени t1, продолжается и после

запирания транзистора VT2 в момент t2 . Ток заряда конденсатора C2, проте- кающий по цепи RК2 , база открытого транзистора VT1, источник напряжения питания UИП , создает падение напряжения на резисторе RК2 и не позволяет

напряжению на коллекторе VT2 достичь своего стационарного значения. Время заряда конденсатора C2 (интервал t1 − t4 ) определяет длительность фронта им-

пульса на коллекторе VT2.

После момента времени t4 токи и напряжения практически на всех эле-

ментах мультивибратора стабилизируются. Единственный переходной процесс, продолжающийся в мультивибраторе, – процесс релаксации, связанный с раз- рядом конденсатора C1. Этот процесс заканчивается новым опрокидыванием схемы. Разряд конденсатора C1 начинается с момента возникновения тока IК1 ,

и ток разряда представляет собой часть тока IК1 , ответвляющуюся в конденса-

тор C1. До запирания транзистора VT2 этот ток замыкается в основном через его базу, а после запирания – через резистор RБ2 . Полная длительность време-

ни релаксации (разряда) конденсатора C1 определяется промежутком времени t5 − t0 При инженерных расчетах за длительность процесса релаксации прини-

мается интервал времени Tрел2 = t5 − t2,3 ≈ t5 − t2 , в течение которого напря- жение на базе запертого транзистора снижается от наибольшего значения UБ2m до нуля (см. рис. 11.2). Обычно Tрел составляет преобладающую часть рабоче-

го цикла.

Начиная с момента времени t5 в мультивибраторе развиваются процессы, аналогичные процессам, рассмотренным выше (с момента t0 ), в которых тран-

зисторы и соответствующие элементы мультивибратора меняются ролями. На промежутке времени t5 − t6 (соответствует интервалу t0 − t1 ) происходит рас-

сасывание носителей из базы транзистора VT1, появляется ток транзистора VT2, начинается перезаряд емкостей Cк2 и См2 . К моменту времени t7 (соот-

ветствует t2 ) заканчивается второй процесс регенерации ( t6 − t7 ), начинается процесс формирования среза импульса tср2 на коллекторе VT2 и переднего

фронта импульса tфр1 на коллекторе VT1 (заряд конденсатора C1), который протекает на интервале t7 - t8 (соответствует интервалу t3 - t4 ). В это время начинается новый процесс релаксации конденсатора C2 ( t5 - t8 ), который за- канчивается в момент времени t'0 . С этого момента начинается следующий полный цикл процессов, определяющих период автоколебаний Tа :

где Tр2 = Tрел2 + Tн1 + Tрег ; Tр1 = Tрел1 + Tн2 + Tрег .

Непосредственно из временной диаграммы видно, что длительность им- пульса напряжения на коллекторе транзистора VT1 равна

tu1 = Tрел1 + Tн2 + Tрег + tср1 > Tр1,

а длительность импульса на коллекторе VT2:

tu2 = Tрел2 + Tн1 + Tрег + tср2 > Tр2 .

Однако на практике Tрел >> Tн + Tрег + tср , поэтому за длительность

импульса принимается длительность соответствующего процесса релаксации и приближенно считается, что период колебаний

Tрел1) воспользуемся эквивалентной схемой цепи разряда конденсатора C2 (рис. 11.3), где источник тока IКБ01 учитывает тепловой ток закрытого транзи-

стора VT2. Согласно этой схеме напряжение на конденсаторе, заряженном до значения UИП - RК2 × IКБ02 , будет изменяться по закону

Если принять, что разряд конденсатора C2 начинается в момент времени t = 0 (соответствует t7 на диаграмме), то длительность импульса на коллекторе

транзистора VT1 будет определяться выражением

tu1 = C2RБ1 ln 2× UИП - RК2IКБ02 + RБ1IКБ01 . (11.5)

UИП + RБ1IКБ01

и RБ1IКБ01), малы (особенно для кремниевых транзисторов), то без большой погрешности можно считать, что

Длительность фронта импульса напряжения на коллекторе соответст- вующего транзистора ( tфр1 и tфр2 ) определяется временем заряда конденсато-

ра, подключенного к коллектору этого транзистора, до напряжения 0,9 × Um :

Эта величина близка к времени восстановления напряжения на соответст- вующем конденсаторе. Время восстановления ограничивает максимально возмож- ное значение скважности импульсов на коллекторе транзистора, например VT1:

Из (11.9) и (11.7) следует, что для увеличения Q1 необходимо увеличи- вать значение tu2 либо за счет увеличения сопротивления резистора RБ2 , либо

за счет увеличения емкости конденсатора C1. Однако увеличение емкости C1 (увеличение резистора RБ2 может привести к отсутствию режима насыщения

где А – параметр, зависящий от требуемого коэффициента формы прямоуголь-

Если в схеме соблюдается частичная количественная симметрия, т.е. RК1 = RК2 и RБ1 = RБ2 , то из (11.11) получим

Q £1+ RБ2 ×ln 2 . A ×RК2

Выбор емкости конденсатора C1 налагает определенные требования на значения других элементов схемы, так как в соответствии с (11.10)

tu1 = 0,7 C2RБ2 ³ 3 C1RК1 (здесь A = 3) и RБ1 ³ 4,3 CC12 RК1,