6. Автогенераторы релаксационных колебаний

6.1. Общие сведения

Релаксационные (импульсные) колебания – это колебания, которые по форме существенно отличаются от гармонических. Сигналы такой формы находят применение в импульсной и цифровой технике.

Релаксационные колебания возбуждаются в автогенераторах при выполнении следующих условий:

1. имеется широкополосная ПОС, обеспечивающая условие самовозбуждения в идеальном случае во всем частотном диапазоне (<);

2. ПОС – глубокая, что обусловливает работу ЭП в ключевом режиме (ЭП находится или в режиме отсечки или в режиме насыщения);

3. в системе имеются реактивные элементы (емкости или индуктивности), которые периодически заряжаются и разряжаются. В определенные моменты времени электронные приборы периодически переключают цепи реактивных элементов из режима зарядки в режим разрядки.

Цепь, которая управляет временем переключения и определяет время, в течение которого схема находится в одном из квазиустойчивых состояний, называют времязадающей.

В импульсной технике широко используются времязадающую -цепи. Проанализируем процесс зарядки емкостив-цепи от источника постоянного напряжения(рис. 6.1а). На основании закона Кирхгофа электрическое состояние цепи описывается уравнением

. (6.1)

Используя связь тока заряда емкости с напряжением на ней , и обозначив, уравнение (6.1) сводится к неоднородному дифференциальному уравнению 1-го порядка

. (6.2)

Его решение представим в виде

. (6.3)

При , а при. Тогдаи. После подстановки найденных значенийив (5.20) получим

. (6.4)

Уравнение (6.4), описывает релаксационный процесс зарядки емкости по экспоненциальному закону. Из решения уравнения (6.4) найдем промежуток времени, по истечению которого напряжение на емкости изменится отдо некоторого порогового значения(рис. 6.1б):

. (6.5)

а) б)

Рис. 6.1. Времязадающая -цепь

а) схема цепи;

б) график, иллюстрирующий процесс зарядки емкости

6.2. Мультивибратор на биполярных транзисторах

Мультивибратор является автогенератором периодической последовательности импульсов, близких по форме к прямоугольным. Название «мультивибратор» в переводе означает «генератор множества колебаний» и отражает основную особенность – генерируемые им колебания имеют сложную форму, образованную суммой множества гармонических колебаний.

Рассмотрим работу мультивибратора в автоколебательном режиме на примере схемы, выполненной на биполярных транзисторах (рис. 6.2а). Он представляет собой двухкаскадный инвертирующий усилитель на резисторах, охваченный ПОС. Выход первого каскада, собранного на транзисторе VT1 и резисторах ,, подключен через емкостьк входу второго каскада, собранного на транзистореVT2 и резисторах ,, а выход второго каскада через емкостьподключен к входу первого каскада.

Известно, что инвертирующий усилитель на резисторах обладает коэффициентом усиления . Один из усилителей служит звеном прямой передачи, а второй – звеном обратной связи. Следуя функциональной схеме (рис. 6.2б), петлевое усилениепринимает вид

То, что аргумент петлевого усиления , а его модуль значительно больше 1 свидетельствует о том, что в данной схеме действует сильная положительная обратная связь. Так как усилители на резисторах являются широкополосными, то условия самовозбуждения выполняются в широкой полосе частот и в системе возникают колебания сложной формы.

a) б)

Рис. 6.2. Мультивибратор на биполярных транзисторах

а) принципиальная схема;

б) структурная схема

При включении источника питания через оба транзистора потекут коллекторные токи, емкости и будут заряжаться. Однако, состояние схемы, когда оба транзистора открыты, неустойчиво. Даже при постоянном напряжении питанияколлекторные токи подвержены некоторому колебанию из-за флуктуации носителей зарядов – электронов и дырок.

Случайное изменение коллекторных токов из-за глубокой ПОС приводит к лавинообразному процессу, ток одного транзистора достигает максимального значения, а ток другого скачком падает до нуля. Состояние схемы, когда один транзистор насыщен, а другой заперт, является временно устойчивым. Промежуток времени, в течение которого схема будет находиться в этом квазиустойчивом состоянии, определяется релаксационным процессом в -цепи, состоящей из емкости и резистора, подключенных к базе запертого транзистора. Когда напряжение на базе запертого транзистора достигнет порогового значения, этот транзистор откроется и из-за глубокой ПОС перейдет в состояние насыщения. При этом другой транзистор перейдет в запертое состояние. Чередование двух различных состояний транзисторов сформирует на их коллекторах периодическую последовательность импульсов.

Более детально работу мультивибратора в автоколебательном режиме поясняют временные диаграммы напряжений, изображенные на рис. 6.3.

В момент времени , который примем за исходный, транзисторVT1 находится в состоянии насыщения, а транзистор VT2 заперт. Емкость разряжается по цепи, указанной на рис. 6.4а. Затем она начнет перезаряжаться. В момент временинапряжение на емкостидостигнет напряжения отпирания транзистора0,6 В. ТранзисторVT2 открывается. Увеличение коллекторного тока приводит к уменьшению напряжения на коллектореVT2 (). Это уменьшение напряжения передастся через емкостьна базу транзистораVT1, и транзистор VT1 начнет закрываться. Из-за глубокой ПОС схема лавинообразно перейдет в новое состояние квазиравновесия: транзистор VT1 заперт, а VT2 – насыщен. Напряжение на коллекторе VT1 увеличивается не мгновенно, а по экспоненте, так как параллельно ему подключена емкость , которая заряжается до напряженияпо цепи, указанной на рис. 6.4б.

Рис. 6.3. Временные диаграммы напряжений, поясняющие работу мультивибратора

а) б)

Рис. 6.4. Времязадающая цепь

а) цепь разряда емкости ,

б) цепь заряда емкости

Время заряда емкости через резисторопределяет длительность фронта импульса. За счет протекания большого начального тока заряда емкостичерез конечное сопротивление перехода база – эмиттер транзистораVT2 наблюдается всплеск напряжения. На интервале времениввиду малого сопротивления транзистораVT2 в состоянии насыщения положительно заряженная обкладка емкости оказывается замкнутой практически на корпус. Поэтому отрицательное напряжение емкостиприложено к базе транзистораVT1 и поддерживает его в закрытом состоянии.

В момент времени отрицательное напряжение -на емкостиявляется начальным при формировании положительного импульса напряжения(). Начиная с, емкостьначнет разряжаться по цепи – источник напряжения, резистор. После разряда емкостьначнет перезаряжаться. И если бы она не была подключена к базе транзистораVT1, то в установившемся режиме зарядилась бы до напряжения(). Однако, перезарядившись до напряжения, в момент временитранзисторVT1 открывается и за счет глубокой ПОС лавинообразно схема переходит в состояние квазиравновесия: VT1 – насыщен, а VT2 – заперт. На интервале времени подобным же образом формируется импульс напряжения на транзисторе VT2. Таким образом, чередование двух квазиустойчивых состояний порождает автоколебательный процесс, в результате которого мультивибратором формируется периодическая последовательность импульсов, близких к прямоугольной форме. Как следует из (6.5), длительность импульсов определяется как

, =1, 2, (6.6)

поскольку   10 В, а = 0,6 В 0 В.

Период следования импульсов равен .

Кроме автоколебательного режима мультивибраторы могут работать также в режиме синхронизации и ждущем режиме.

В режиме синхронизации мультивибратор работает как автогенератор, но на него воздействует извне еще специальное синхронизирующее напряжение, частота которого определяет частоту генерируемых им колебаний.

В ждущем режиме мультивибратор имеет одно состояние устойчивого равновесия. Для этого в автоколебательной схеме одно из квазиустойчивых состояний превращают в устойчивое состояние путем замены одного из конденсаторов гальванической связью. При подаче пускового импульса схема переходит в состояние временно устойчивого равновесия (квазиравновесия). В состоянии квазиравновесия в схеме протекают релаксационные процессы, связанные с зарядом (разрядом) емкости в цепи междукаскадной связи. Эти процессы в итоге приводят к возвращению схемы в исходное состояние устойчивого равновесия.

Мультивибраторы применяются в импульсной технике в качестве задающих генераторов прямоугольных импульсов, расширителей импульсов, делителей частоты, в качестве пусковых и переключающих устройств.