49. Симметричный мультивибратор.

М ультивибратор является генератором релаксационного типа. В таких устройствах происходит чередование медленных и быстрых процессов. Колебания, генерируемые мультивибратором, имеют сложную форму, чаще всего близкую к прямоугольной. Спектр частот таких колебаний очень широкий, что и определило название мультивибратора как генератора множества колебаний.

В радиоэлектронных устройствах мультивибраторы выполняют функции задающих генераторов, делителей частоты следования импульсов, расширителей импульсов и т. д. Широкий диапазон применения мультивибраторов определил разновидности их схем.

Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми связями (рис. 4.48) представляет собой два усилителя, собранных по схеме с общим эмиттером и охваченных цепью глубокой положительной обратной связи: выход усилителя на транзисторе VТ1 через цепочку С₁R_б2 подключен ко входу каскада на транзисторе VТ2, а выход усилителя на транзисторе VТ2 через цепочку С₂R_б1 – ко входу каскада на транзисторе VT1.

Как известно, для существования стационарных колебаний в генераторе необходимо выполнение условий баланса фаз и баланса амплитуд. В данной схеме баланс фаз обеспечивается тем, что в каждом из двух усилителей напряжение на выходе сдвинуто по отношению к входному на 180, и в итоге полный сдвиг фаз по всей цепи обратной связи составляет 360. Баланс амплитуд обеспечивается необходимыми коэффициентами усиления по напряжению каждого из усилителей. Обратная связь включается при работе каскадов в активном режиме в момент переключения и отключается, когда в схеме начинают протекать медленные процессы заряда и перезаряда конденсаторов. В симметричном мультивибраторе соблюдаются следующие соотношения между элементами: R_к1=R_к2=R_к, R_б1=R_б2=R_б, С₁=С₂=С, а транзисторы по параметрам должны быть идентичны.

Процесс самовозбуждения мультивибратора, т. е. возникновения в нем колебаний можно пояснить следующим образом. Предположим, что после включения схемы оба транзистора открыты, и через них текут равные по величине и направлению коллекторные токи i_к1 и i_к2. Но это состояние неустойчиво. В самом деле, пусть вследствие какой-либо флуктуации произойдет увеличение тока i_к1. Это увеличение i_к1 вызывает рост падения напряжения на резисторе R_к1 и снижение по абсолютной величине напряжения U_к1 на некоторое малое значение U_к1 (рис. 4.48). Этот перепад напряжений U_к1 через цепочку обратной связи С₁R_б2 передается на базу транзистора VТ2 и вызывает уменьшение тока в нем, что в свою очередь приводит к росту по абсолютной величине напряжения U_к2 на величину U_к2. А этот перепад напряжений через цепочку С₂R_б1 передается на базу транзистора VТ1 и вызывает дальнейшее увеличение тока в нем. За счет усилительных свойств каскадов такие скачки напряжений лавинообразно нарастают, и транзистор VТ1 в течение очень короткого периода времени оказывается открытым, а VТ2 – закрытым. Обычно параметры схемы выбирают так, что открывшийся транзистор находится в режиме насыщения. При этом положительная обратная связь обрывается, и лавинообразный процесс прекращается. Потенциалы всех электродов открытого транзистора приблизительно одинаковы и близки к нулю, поэтому в данном случае принято говорить о том, что «транзистор стягивается в точку».

Медленные процессы в схеме мультивибратора удобно рассматривать с помощью временных диаграмм, представленных на рис. 4.49, и цепей заряда и перезаряда емкостей – на рис. 4.50.

Рассмотрим процессы, протекающие в симметричном мультивибраторе, начиная с некоторого момента времени t=t₀ (рис. 4.49). Пусть в этот момент очередной лавинообразный процесс закончился, и транзистор VТ1 закрывается, а VТ2 открывается. Потенциал коллектора VТ1 относительно эмиттера быстро нарастает по абсолютной величине и U_к VТ1E, а потенциал коллектора U_к VТ20. С момента t>t₀ конденсатор С₁ заряжается по цепи (рис. 4.50 а): +Е_п  эмиттер-база открытого транзистора VT2  C₁  R_к1  –E_п. Длительность этого процесса о пределяется постоянной времени ₃=С₁R_к1, которая определяет задний фронт коллекторного импульса (рис. 4.49, участок аb). На участке cd идет перезарядка С₂ по цепи +Е_п  эмиттер-коллектор открытого транзистора VT2 C₂R_б1 –E_п (рис. 4.50 б).

Если бы цепь, изображенная на рис. 4.50 б, в схеме «была изолирована», то перезарядка С₂ произошла бы полностью, и знак заряда на его обкладках стал бы обратным начальному (рис. 4.50 в). Но в схеме мультивибратора U_С2 определяет потенциал базы U_б1, и на отрезке времени от t₀ до (t₀+T/2) напряжение U_С2 удерживает VT1 в закрытом состоянии. К моменту t=(t₀+T/2) напряжение U_С2 становится близким к нулю, и транзистор VT1 открывается. В схеме вновь возникает лавинообразный процесс, описанный выше, после окончания которого в плече схемы на VT2 возникнут процессы, аналогичные протекавшим на отрезке (t₀+T/2) в плече схемы на VT1.

В общем случае полный цикл автоколебательного процесса в мультивибраторе состоит из двух полупериодов колебаний t₁ и t₂. В симметричном мультивибраторе длительности полупериодов t₁ и t₂ одинаковы, а весь период колебаний Т можно определить по формуле