1.1. Мультивибратор на биполярных транзисторах

Структурная схема МВ состоит из усилителя К1, в цепь ПОС которого включён другой усилитель К2, рис. 4.2.

В соответствии с приведённой структурной схемой на рис. 4.2 изображена принципиальная схема простейшего автоколеба тельного МВ на биполярных транзисторах, рис. 4.3.

Наиболее распространённой и удобной в изображении по аналогии с симметричным триггером является схема мультивибратора с перекрёстными коллекторно–базовыми связями между каскадами, которая приведена на рис. 4.4.

М ультивибратор бу-дет симметричным, если величины и параметры элементов усилителей на транзисторах VT1 и VT2 будут одинаковы.

МВ работает в автоколебательном режиме и характеризуется двумя состояниями квазиравновесия: в первом состоянии транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт и насыщен; во втором – наоборот.

Переход из одного состояния в другое осуществляется лавинообразно, то есть с большой скоростью.

В первом состоянии квазиравновесия, определяющем первый полупериод работы МВ, происходит зарядка конденсатора С₂ (по цепи Е_П, R_К1, С₂, входное сопротивление насыщенного транзистора VT2 - ) с постоянной времени, примерно равной .

Во втором полупериоде - зарядка конденсатора С₁ с постоянной времени, также примерно равной .

При установившемся процессе автоколебаний МВ, одновременно с зарядкой конденсатора С₂, в первом полупериоде, разряжается ранее заряжённый конденсатор С₁ (через выходное сопротивление транзистора VT2 - и цепь Е_СМ, R_Б1). По мере убывания разрядного тока, протекающего через R_Б1, растёт напряжение на базе транзистора VT1 - U_Б1.

Когда это напряжение достигает порогового уровня (условно, - нулевого), происходит отпирание транзистора VT1, и рост его коллекторного тока приводит к выходу транзистора VT2 из режима насыщения и восстановлению петли положительной обратной связи (ПОС).

В результате развивается регенеративный процесс, завершающийся запиранием транзистора VT2 и переходом схемы во второе состояние квазиравновесия. Теперь разряжается конденсатор С₂ через транзистора VT1 и цепь Е_СМ, R_Б2.

Второй полупериод колебаний завершается, когда напряжения на базе транзистора VT2 достигнет порогового (нулевого) уровня . В этот момент времени он отпирается, и происходит обратное опрокидывание схемы в первое состояние квазиравновесия.

Временные диаграммы, поясняющие работу рассмотренной схемы мультивибратора, изображены на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Временные диаграммы работы схемы

Мультивибратора

мультивибратора

Длительность состояния квазиравновесия в первом полупериоде колебаний, когда транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт и насыщен, определяется выражением (для n-р-n транзисторов):

где - напряжение на базе транзистора VT1, когда он вновь закроется, то есть по окончании ;

- напряжение на базе VT1 в начальный момент времени, то есть это напряжение на конденсаторе С₁ с обратным знаком;

- пороговое напряжение, при котором открывается транзистор VT1;

, - обратные токи коллекторных переходов транзисторов VT1 и VT2, измеренные в режиме холостого хода (при оборванных эмиттерах).

При схемной реализации МВ на транзисторах р-n-р типа выражение для будет иметь вид:

.

Длительность импульса для второго полупериода, когда транзистор VT1 открыт и насыщен, а VT2 закрыт, будет равна:

Выражения для длительностей и схемы симметричного МВ можно значительно упростить, приняв следующие допущения: , тогда:

.

Период автоколебаний Т будет равен сумме длительностей полупериодов: .

Приведённые выражения для периода автоколебаний МВ получены без учёта длительностей фронтов , и времени рассасывания заряда в базах насыщенных транзисторов , поэтому они справедливы в тех случаях, когда длительности полупериодов импульсов и достаточно велики.

Также следует отметить, что в интервале , вместе с разрядкой конденсатора С₁, происходит зарядка С₂ с постоянной времени, примерно равной . Из этого следует, что для того, чтобы напряжения на конденсаторе С₂ и коллекторе закрытого транзистора VT1 успели достичь установившегося значения необходимо выполнить условие:

.

Такое же условие должно быть выполнено и при зарядке С₁:

Из полученных неравенств можно определить:

а) условие по выбору величины коллекторного сопротивления: ;

б) значение предельной скважности импульсов.

Если выполняется условие: , то, подставив его в выражение для скважности Q и считая импульсы рабочими, те, которые снимаются на выходе транзистора VT2, получим выражение для значения максимальной скважности:

.

Нестабильность периода автоколебаний определяется нестабильностью параметров элементов схемы и транзисторов.

Температурная нестабильность работы генератора проявляется в уменьшении периода колебаний (увеличением частоты), так как с ростом температуры растёт обратный ток транзистора , и это уменьшает длительность состояния квазиравновесия.

Так как длительность выходного импульса (период колебаний) МВ определяется временем изменения напряжения на базе транзистора от U_МАКС (то есть Е_П) до порогового (нулевого) уро-вня , то есть с заданной крутизной, то чем больше будет эта крутизна изменения напряжения, тем выше стабильность рассматриваемого временного интервала (рис. 4.6).

Увеличение крутизны изменения напряжения на базе транзистора может быть достигнуто несколькими способами:

- увеличением напряжения U_МАКС, то есть увеличением напряжения источника питания Е_П;

- увеличением напряжения Е_СМ в цепи смещения базы;

- уменьшением времени 3τ_ЭКВ, то есть применением транзисторов с лучшими частотными свойствами и величиной R_Б: .

П рименение первых двух способов может привести к выходу из строя транзисторов вследствие превышения предельно допустимых электрических параметров их работы.

Увеличение температурной стабильности работы МВ, умень-шением величины сопротивления R_Б (увеличение крутизны) приводит к увеличению ёмкости конденсатора для заданной длительности импульса. Это увеличивает процесс восстановления МВ, и для его уменьшения нужно увеличивать коллекторный ток транзистора, то есть уменьшать сопротивление R_К, что влияет на надёжный режим работы МВ.

Поэтому стабилизацию длительностей импульсов (периода колебаний) можно осуществлять не только выбором соответствующих параметров элементов схемы мультивибратора, но и различными схемотехническими решениями.