9.4. Релаксационные генераторы

Если пассивные электрические цепи генератора не обладают колебательными свойствами, то в течение периода генерируемых им колебаний теряется и пополняется вновь значительная часть всей колебательной энергии. Период колебаний при этом определяется не собственной частотой колебательной системы генератора (такой системы может и не быть), а временем релаксации или временем установления равновесия в цепи. Форма колебаний релаксационных генераторов весьма разнообразна: от скачкообразных до близких к гармоническим.

В качестве примера генератора скачкообразных колебаний рассмотрим мультивибратор.

Рис. 9.6. Принципиальная схема мультивибратора на биполярном транзисторе (а) и временная диаграмма напряжений на электродах транзисторов (б); U_КН и U_БН – напряжения насыщения коллектора и базы соответственно

В мультивибраторе (рис.. 9.6а) попеременно заряжаются и разряжаются емкости С₁ и С₂. Схема симметрична, и логично допустить, что в некоторый момент времени коллекторные напряжения и токи транзисторов VTI и VT2 одинаковы (рис. 9.6б). Предположим далее, что из-за флуктуации ток транзистора VTI несколько увеличился, вследствие чего напряжение на его коллекторе уменьшилось. Схема в целом представляет в этом случае двухкаскадный усилитель, охваченный сильной положительной обратной связью. Процесс увеличения тока транзистора VT1 и уменьшения тока транзистора VT2 ускоряется положительной обратной связью, и транзистор VT1 быстро входит в режим насыщения. При этом заряд емкости не успевает заметно измениться, поэтому на базе транзистора VT2 потенциал резко становится отрицательным - VT2 запирается и разрывает цепь обратной связи. Схема па некоторое время входит в первое квазиустойчивое состояние (VT1 открыт, VT2 закрыт). После этого емкость С₂ заряжается с постоянной времени , а емкость С1 разряжается с постоянной времени (обычно ). Вследствие разряда емкости С₁ в какой-то момент времени напряжение на базе транзистора VT2 достигает уровня открывания транзистора VT2. В схеме снова замыкается цепь положительной обратной связи, происходит быстрое открывание VT2 и запирание VT1. Обратная связь разрывается запертым транзистором VT1 — наступает второе квазиустойчивое состояние. После этого начинается заряд емкости С₁ с постоянной времени и разряд емкости С₂ с постоянной времени (если R₁=R₂ и С₁=С₂, то и ). Когда емкость С₂ разрядится настолько, что потенциал базы транзистора VT1 достигнет уровня его открывания, в схеме снова замкнется цепь положительной обратной связи, в результате чего VT1 перейдет в насыщение, a VT2 закроется. Процесс периодически повторяется с периодом, пропорциональным сумме постоянных времени .

Для устойчивой генерации необходимо, чтобы постоянные времени и были больше длительности переходных процессов в обоих каскадах.

Наряду с автогенерирующими широко распространены ждущие мультивибраторы: бистабильные (с двумя устойчивыми состояниями) и моностабильные (с одним устойчивым состоянием). Ждущий бистабильный мультивибратор (рис. 9.7а) построен на операционном усилителе А.

Рис. 9.7. Принципиальная схема ждущего бистабиль-ного мультивибратора (а) и временная диаграмма его работы (б)

Рис. 9.8. Принципиальные схемы релаксационных генераторов на основе ждущего бистабильного мультивибратора симметричных (а) и несимметричных (б) колебаний

Напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя

. (9.19)

В отсутствие сигнала схема устойчива и операционный усилитель может быть только в насыщенном состоянии: его выходное напряжение равно либо , либо (рис. 9.7б). Если входной импульс имеет такую же полярность, как и выходное напряжение , а его амплитуда достигает (по абсолютной величине) значения , то в схеме возникает положительная обратная связь, что приводит к быстрому изменению полярности выходного напряжения.

На основе рассмотренного ждущего бистабильного мультивибратора легко построить симметричный (рис. 9.8а) или несимметричный (рис. 9.8б) мультивибратор-автогенератор. Оба генератора, как и мультивибраторы вообще, могут быть синхронизированы внешним генератором на частоте, близкой к частоте собственных релаксационных колебаний. Подключение синхронизирующего сигнала, если это требуется, производят через показанные пунктиром емкости (рис. 9.8б).