7.1 Мультивибраторы

Мультивибратором называют релаксационный генератор импульсов, форма которых близка к прямоугольной. Как и любой генератор мультивибратор относится к усилителю с положительной обратной связью (ПОС).

Рисунок 7.6 - Принципиальная схема мультивибратора

Принципиальная схема автоколебательного мультивибратора, собранного на двух транзисторах с перекрестными обратными связями по переменному току (емкости С₁ и С₂) изображена на рисунке 7.6. Изменение формы обратной связи одного из каскадов мультивибратора приводит к изменению принципа его работы. Введение ПОС по постоянному току одного из транзисторов характерно для ждущего режима работы мультивибратора, который часто называют одновибратором.

Транзисторы автоколебательного мультивибратора находятся попеременно в квазиустойчивом состоянии определенное время. Это время зависит от соотношения сопротивлений R_К, R_Б и величины С в ПОС каждого активного элемента. При условии R_К1= R_К2, R_Б1 = R_Б2 и С₁ = С₂ на выходе мультивибратора (U_КЭ1, U_КЭ2) устанавливаются устойчивые колебания со скважностью равной 2.

Работа мультивибратора поясняется временными диаграммами (см. рисунок 7.7).

Рисунок 7.7 - Временные диаграммы работы мультивибратора

Рисунок 7.9 - Временные диаграммы работы одновибратора

При включении питания транзисторы через некоторое время установятся во взаимно противоположные состояния (момент времени t1 на диаграмме, VT1- открыт, VT2 - закрыт). С этого момента начинают одновременно протекать два процесса, связанные с перезарядкой емкостей С₁ и С₂.

Ко времени t1 емкость C2 разряжена, но после насыщения VT1 начинается ее заряд по цепи R_К2 – эмиттерный переход VT1. Напряжение на емкости С₂ определяет (через малое сопротивление эмиттерного перехода VT1) вид выходного напряжения U_КЭ2 (емкость шунтирует коллектор-эмиттер VT2). Длительность зарядки может быть рассчитана:

Наличие в базе VT1 тока от двух элементов (R_Б1 и заряда С₂) заводит этот транзистор в глубокое насыщение на время заряда емкости. По мере зарядки ее ток (напряжение U_БЭ1) базы VT1 падает до значения, определяемое величиной R_Б1.

Второй процесс связан с разрядом емкости С₁ по цепи «открытый транзистор VT1 - R_Б2 – источник питания». Разряд заканчивается полным разрядом емкости. Время разряда может быть определено:

В момент t3, когда напряжение на С1 будет равно 0 произойдет опрокидывание мультивибратора. Транзистор VT1 начнет лавинообразно закрываться, VT2 – открываться и весь выше представленный процесс повторится.

Одновибратором называют релаксационный генератор, предназначенный для формирования выходного импульса с фиксированной длительностью. Одновибратор отличается от рассмотренного выше мультивибратора наличием цепи непосредственной гальванической связи между двумя каскадами (см рисунок 7.8). За счет исключения из схемы мультивибратора базового резистора R_Б2 и введения постоянного отрицательного смещения (R_СМ и дополнительный источник -U_СМ) устройство может находиться в устойчивом состоянии бесконечно долгое время.

Рисунок 7.8 - Принципиальная схема одновибратора

В статическом состоянии транзистор VT2 надежно закрыт отрицательным потенциалом делителя R_СМ, R_Б, R_К1. Конденсатор С₂ заряжен до напряжения источника питания +U_П, С₁ разряжен, транзистор VT1 открыт положительным смещением через R_Б1.

Для активизации одновибратора достаточно на базу транзистора VT2 подать положительный импульс запуска (U_ЗАП, см. рисунок 7.9). Амплитуда импульса и его длительность должны быть таковы, чтобы кратковременно приоткрыть VT2. Момент открытия транзистора перерастает в лавинообразное опрокидывание структуры за счет подключения к базе VT1 закрывающего напряжения конденсатора С2. Таким образом, импульс запуска ведет к открытию транзистора VT2 и закрытию VT1. В этом состоянии квазиустойчивого равновесия устройство будет находиться в течение времени t_И = t2- t1 разряда конденсатора С₂ (см. рисунок 7.9). Время t_И определяется величинами С₂ и R_Б1:

Рисунок 7.9 - Временные диаграммы работы одновибратора

От значения постоянной времени заряда (подготовки) емкости С₁, зависит возможность повторного запуска одновибратора:

В случае, когда запускающий импульс U_ВХ приходит раньше окончания процесса подготовки устройства, формирования повторного выходного импульса не происходит.

Активный режим работы одновибратора заканчивается только после восстановления заряда на емкости С₂ (период времени t3 – t2, см. рисунок 7.9). Время восстановления зависит от R_К2 и С₂:

Если запускающий импульс приходит раньше окончания процесса восстановления, время выходного импульса будет меньше расчетного (красные пунктирные кривые, см. рисунок 7.9).