3.3 Расчет периода колебаний мультивибратора

Пусть напряжение идеально прямоугольное и изменяется от 0 до. Перенесём начало координат в т.. До моментатранзисторбыл закрыт,открыт, ёмкостьбыла заряжена до напряжения.

После (после 0 в новой системе координат) транзистороткрыт, а транзисторзакрыт.

Электрическую модель мультивибратора после (старая система координат): транзистороткрыт,закрыт (см. рис.3.4 а). Здесь– сопротивление обратно смещенного эмиттерно-базового перехода,– ток этого перехода (рис.3.4 б).

Для маломощных низкочастотных транзисторов порядка единиц-десятковМОм,.

а) б)

Рис. 3.4 Электрическая модель мультивибратора и её параметры

Анализируя порядки величин модели можно принять следующие допущения

1) ;

2) ;

3) .

Тогда упрощённая модель мультивибратора будет иметь следующий вид (см. рис.3.5).

Она соответствует в новой системе координат.

Рис.3.5 Упрощенная электрическая модель мультивибратора

Напряжение на конденсаторе Си базе любого из транзисторов изменяется по экспоненциальному закону и определяет момент переключения схемы из одного временно-устойчивого состояния в другое. Знаяможно рассчитать время нахождения схемы во временно-устойчивом состоянии.определяют решением дифференциального уравнения первого порядка в виде суммы вынужденной и свободной составляющих:

,

при напряжение на конденсатореСравно:

,

исходя из этого получим:

;

Для определения напряжения используем начальные условия: принапряжение на конденсатореСравно,

, откуда .

Отсюда следует, что напряжение на конденсаторе равно:

,

где .

При (момент переключения в старой системе координат), напряжение на конденсатореизменяется отдо 0. Тогда момента времени:

.

Определим :;;

, .

Аналогично ,.

Полный период колебаний симметричного мультивибратора определяется выражением:

.

Следовательно, частота генерируемых колебаний определяется скоростью перезаряда времязадающих конденсаторови. Амплитудное значение импульсана коллекторе насыщенного транзистора:

.

Длительность переднего фронта импульса:

,

где — среднее время перемещения носителей вдоль базы для схемы с ОЭ определяется, в основном, частотными свойствами транзистора;

—коллекторная емкость транзистора.

Длительность заднего фронта (среза) зависит от времени заряда конденсатора С, т.е. определяется выражением:

.

С учетом того, что емкость времязадающего конденсатора обычно велика, .

Для увеличения крутизны фронтов (уменьшения длительности фронтов) коллекторных импульсов необходимо увеличить скорость нарастания напряжений на коллекторах транзисторов. Для этого следует уменьшить величину сопротивлений , что, однако приводит к увеличению потребляемого мультивибратором тока и рассеиваемой мощности.

Выбор резистора :

Сопротивление должно обеспечивать надёжное насыщение транзистораVT;

; ;

; ;

Откуда получаем .

3.4 Регулировка частоты, термостабилизация и улучшение формы выходного напряжения мультивибратора.

Поскольку частота симметричного мультивибратора определяется величиной , то ее можно регулировать, изменяя постоянную времени разряда конденсатораС (). Так как сопротивление резисторарассчитывается из режима насыщения транзистора, то величину сопротивленияизменять нельзя, таким образом, частоту можно регулировать путём изменения ёмкости конденсатораС. Если частоту нужно изменять дискретно, то рассчитывают ёмкость конденсатора Сдля каждой частотыf и коммутируют их через переключатель. Способ плавной регулировки частоты заключается в том, что резисторподключают не к источнику питания, а к изменяемому дополнительному источнику напряжения, напряжение которого можно изменять с помощью переменного резистора(см. рис.3.6).

Напряжение перезаряда конденсатора определяется в этом случае не величиной , а значением.

Рис.3.6 Принципиальная схема мультивибратора с плавной регулировкой частоты

Процесс разряда конденсатора данного мультивибратора описывается тем же дифференциальным уравнением, что и ранее рассмотренного.

Начальное условие в этой схеме аналогично: при ,.

Переходный процесс перезаряда конденсатора в классической схеме (1) определялся напряжением , а в данной схеме (2) определяется напряжением(см. рис. 3.7).

Рис.3.7 Переходные процессы перезаряда конденсаторов

Из переходных процессов следует, что , откуда следует, что период колебанийи. Следовательно, чем меньше напряжение, тем больше период колебанийи меньше частотамультивибратора. Напряжениерекомендуют изменять в пределахдо, при этом частота изменяется в 1,5 раза.

Термостабилизация частоты мультивибратора.

Частота мультивибратора не зависит от напряжения . Причиной нестабильности частотымультивибратора является нестабильность элементов схемы от температуры. Для германиевых транзисторов температурная нестабильность определяется зависимостью. Для кремниевых транзисторовна 1-2 порядка меньше, следовательно и нестабильность частоты также меньше на 1-2 порядков поэтому нестабильность частоты таких мультивибраторов определяется, в основном, температурной нестабильностью основных элементов схемы,.

Схема разряда конденсатора СдляSi– транзисторов имеет следующий вид (см. рис.3.8 ), если токомможно пренебречь. Для германиевых транзисторов токомпренебречь нельзя, и схема разряда приведена на рис.3.9.

Рис.3.8 Схема разряда конденсатора Рис.3.9 Схема разряда конденсатора разряда конденсатора

для кремниевых транзисторов для германиевых транзисторов

При этом ток через конденсатор .

Поскольку в значительной степени зависит от температуры (экспоненциальный закон), то.

Так как , то период колебаний мультивибратора и частота также зависит от температуры. Следовательно, основная причина температурной нестабильности частоты мультивибратора на германиевых транзисторах – влияние промежутка Б-К закрытого транзистора.

Для ликвидации этого недостатка целесообразно на время разряда конденсатора Сотключать базо-коллекторный переход закрытого транзистора от резистора, для этого в схему ставят отключающие диоды, которые должны иметь значениена порядок, два меньше, чем у транзистора. Для этих целей применяют специальные ВЧ диоды (импульсные), и принципиальная схема принимает следующий вид (см. рис.3.10).

Рис.3.10 Принципиальная схема автоколебательного мультивибратора с термостабилизацией отсекающими диодами

Диоды ислужат для отключения от цепи разряда транзисторови, а резисторыиобеспечивают нулевой потенциал на базе транзисторов (=). Модель данной схемы представлена на рис. 3.11.

Рис.3.11 Модель принципиальной схемы автоколебательного мультивибратора с отсекающими диодами

, поэтому при использовании высокочастотных диодов такая схема позволяет получить нестабильность частоты порядка десятых долей процентов.

Для Geтранзисторов без отсекающих диодов нестабильность частотыпорядка 10%, дляSiтранзисторов без отсекающих диодов 1-3%;

Для улучшения переднего фронта выходных импульсов заряд иобеспечиваю через дополнительные резисторыи, с помощью диодови(см. рис.3.12).

Заряд конденсатора Сидёт по цепи:, при этом через резисторток не протекает.

На цепь разряда конденсатора диодне влияет, поскольку он включён в проводящем направлении и обеспечивает разряд конденсатора по цепи:.

Универсальная схема мультивибратора должна иметь элементы:

термостабилизации;

улучшения переднего фронта и импульсов,

плавной регулировки частоты.

Такие мультивибраторы выпускаются в интегральном исполнении серий 119ГФ2, и 218ГФ2. Серия 119 – полупроводниковые (монолитные) ИС, серия 218 – гибридная. Мультивибраторы в интегральном исполнении имеют выводы для подключения дополнительных конденсаторов и резисторов, обеспечивающих регулировку частоты.

Рис.3.12 Схема транзисторного мультивибратора улучшенной формы выходного напряжения