6.3. Ждущие генераторы прямоугольных импульсов (одновибраторы)

Ждущие генераторы прямоугольных импульсов (ОВ) предназначены для формирования прямоугольного импульса заданной длительности при поступлении на вход короткого запускающего импульса. Такие генераторы имеют одно устойчивое и одно квазиустойчивое состояния, переход в которые осуществляется регенеративно.

Одновибратор на дискретных элементах. Типовая схема такого одновибратора показана на рис. 6.7, а. Она состоит из двух усилителей-инверторов, соединенных между собой положительными перекрестными обратными связями, причем в одно плечо этой ОС включена времязадающая RС-цепь, а второе образуется делителем напряжения Rl, R2.

В устойчивом положении транзистор VT1 закрыт положительным смещением U_см на базе от источника напряжения +Е_см1, а транзистор VT2 открыт отрицательным смещением −E_см2, подключенным к его базе через резистор времязадающей цепи R. Конденсатор С заряжен практически до напряжения E_К (рис. 6.7, б). С приходом в момент времени t_t отрицательного запускающего импульса u_вх в базу VT1 последний открывается, конденсатор С подключается ко входу транзистора VT2, запирая его. Коллекторное напряжение u_К2 VT2 скачком увеличивается до напряжения −E_К, обеспечивая протекание через базу VT1 тока базы i_Бl, большего І_{Бн 1.} Схема перешла в квазиустойчивое состояние, длительность которого определяется временем перезаряда конденсатора времязадающей цепи С от напряжения E_К до нуля под действием напряжения −Е_см2. Емкость конденсатора С₁ << С, так как он выполняет функции форсирующего конденсатора и работает только в течение времени формирования фронтов

Рисунок 6.7 − Одновибратор на дискретных элементах

В устойчивом положении транзистор VT1 закрыт положительным смещением U_см на базе от источника напряжения +Е_см1, а транзистор VT2 открыт отрицательным смещением −E_см2, подключенным к его базе через резистор времязадающей цепи R. Конденсатор С заряжен практически до напряжения E_К (рис. 6.7, б). С приходом в момент времени t_t отрицательного запускающего импульса U_вх в базу VT1 последний открывается, конденсатор С подключается ко входу транзистора VT2, запирая его. Коллекторное напряжение U_К2 VT2 скачком увеличивается до напряжения −E_К, обеспечивая протекание через базу VT1 тока базы i_Бl, большего І_Бн1 . Схема перешла в квазиустойчивое состояние, длительность которого определяется временем перезаряда конденсатора времязадающей цепи С от напряжения E_К до нуля под действием напряжения −Е_см2. Емкость конденсатора С₁ << С, так как он выполняет функции форсирующего конденсатора и работает только в течение времени формирования фронтов.

В момент времени t₂ напряжение на конденсаторе С уменьшается до нуля и происходит регенеративное восстановление исходного состояния, которое заканчивается после заряда конденсатора С.

Эквивалентные схемы замещения для устойчивого и квазиустойчивого состояний приведены на рис. 6.8, а и б. Условиями устойчивого состояния являются соотношения U_Б1 ≥ 0 и i_Б2 > І_Бн2. Первое условие можно записать

(6.15)

или, вынося за скобки,E_см1 – І_К0  R2 ≥ 0.

Отсюда можно определить значение сопротивления R₂:

(6.16)

Второе условие перепишем в виде

(6.17)

откуда можно определить значение сопротивления резистора R:

R ≤ β R_К2  k, (6.18)

где k = E_см2 /E_К.

Условиями квазиустойчивого состояния являются U_Б2 ≥ 0; i_Б1 ≥ І_Бн1.

Первое условие выполняется в силу принципа работы схемы, а второе рассмотрим детальнее, записав токи через отношение соответствующих напряжений и сопротивлений

(6.19)

Выполнив простейшие преобразования, получим

(6.20)

где

Рисунок 6.8 − Схемы замещения для устойчивого и квазиустойчивого состояний

Длительность квазиустойчивого состояния t_и определяется из уравнения (6.1) при U(∞) = −E_см2 − І_К0  R, U(0) = −(E_K − І_K0  R_K1) аналогично уравнению (6.9):

(6.21)

где τ = RC.

Учитывая, что R >> R_К1, и обозначив получим

(6.22)

Если пренебречь величиной І_К0 и считать, что E_см2 = E_К, то формула (6.22) упрощается к виду

t_и  ≈ τln2 ≈ 0,7 R C. (6.23)

Время восстановления составляет t_в = (3−5) R_К1 С. Регулировать длительность выходного импульса можно как изменением параметров R и С, так и изменением напряжения смещения E_см2

Одновибратор на дискретных элементах с эмиттерными связями показан на рис. 6.9. В этой схеме положительная обратная связь осуществляется с помощью конденсатора С и общего резистора R_Э.

В исходном состоянии устойчивого равновесия транзистор VT1 заперт, a VT2 насыщен. Насыщенное состояние транзистора VT2 обеспечивается резистором R с сопротивлением R < βR_К2, через который протекает базовый ток, достаточный для насыщения VT2. В эмиттерной цепи VT2 протекает ток эмиттера i_Э  ≈ E_K / (R_К2 + R_Э), за счет которого на резисторе R_Э возникает падение напряжения U_Э = i_ЭR_Э с полярностью (рис. 6.9, а). Одновременно через делитель Rl − R2 протекает ток, создавая на резисторе R2 падение напряжения u_r2. Если |U_Э| > |U_R2| то на базу транзистора VTI подается положительное напряжение (U_Б1 > 0) и обеспечивается запертое состояние транзистора VTI. Конденсатор С в исходном состоянии заряжен до напряжения U_с = E_К−U_Э1 по цепи корпус − R_Э-эмиттерный переход − С-Rк1 − (−E_К).

Рисунок 6.9 − Одновибратор на дискретных элементах с эмиттерными связями

Перевод схемы в квазиустойчивое состояние осуществляется подачей в базу VT1 отрицательного импульса U_вх с амплитудой больше, чем U_Б1 Транзистор VT1 начинает открываться и напряжение на его коллекторе увеличивается. Образовавшееся положительное приращение напряжения через конденсатор С передается в базу транзистора U2, запирая его и уменьшая ток эмиттера. Приращение тока эмиттера от отпирания VT1 меньше, чем его уменьшение от запирания VT2, так как R_К1 выбирается больше R_К2.

В результате на резисторе R_Э отрицательное напряжение уменьшается, что эквивалентно его увеличению на базе VT1, который еще больше открывается и т. д. Этот лавинообразный процесс заканчивается запиранием VT2, насыщение VT1 и переходом схемы в состояние квазиравновесия.

В этом состоянии ток через резистор R1 достаточен для насыщения транзистора VT1, а транзистор VT2 удерживается в запертом состоянии положительным напряжением на конденсаторе С, который через насыщенный VT1 подключен к базе VT2. Напряжение на конденсаторе уменьшается по мере его перезаряда через резистор R, открытый VT1 и резистор R_Э, стремясь достигнуть величины −E_К. Однако, когда U_с = U_б2 достигнет нуля, произойдет обратное переключение схемы и ОВ возвратится в исходное состояние. Конденсатор С вновь зарядится почти до полного напряжения E_К после чего ОВ готов к формированию следующего импульса.

Длительность импульса, формируемого на коллекторе VT2,

, (6.24)

или, если І_К0 очень мал,

t_и  = C R ln2 ≈ 0,7 R C. (6.25)

Время восстановления ОВ зависит от времени заряда конденсатора С и находится из соотношения

t_в ≈ 3 С (R_К1 + R_Э║R_К2) ≈ 3 С (R_К1 + R_Э). (6.26)

Минимальная амплитуда выходного импульса на коллекторе транзистора VT2

(6.27)

Наряду с базовым запуском одновибратора на практике часто применяют диодный коллекторный запуск импульсом положительной полярности (рис. 6.9, б). При таком запуске в процессе опрокидывания схемы диод запирается и отключает ОВ от цепи запуска, повышая тем самым устойчивость запуска.