Мультивибраторы

Если в генераторе применить широкополосные и усилитель и цепь ОС (пропускают сигналы в широком диапазоне частот), получится релаксационный генератор. Процесс возбуждения колебаний в нём происходит настолько быстро, что не успевает пройти даже один цикл (период) колебаний, как усилительный элемент оказывается в режиме насыщения (т.е. в режиме ограничения). После этого устройство должно некоторое время «отдохнуть» (relax- отдыхать), чтобы возвратиться в исходное состояние, после чего процесс повторяется.

Релаксационные генераторы генерируют несинусоидальные колебания. На их основе создают генераторы импульсов прямоугольной, треугольной или какой-либо другой формы. Их используют, например, для генерирования напряжений развёртки в телевизорах, осциллографах. Частота или период колебаний в релаксационных генераторах определяются длительностью процессов зарядки-разрядки конденсаторов через резисторы. Эти процессы описываются экспоненциальными зависимостями и определяются постоянными временами RC-цепей ().

Рис.14,a.

На рис.14а приведена схема одного из видов релаксационного генератора – классического мультивибратора. По сути дела это двухкаскадный транзисторный усилитель со связью между каскадами через разделительный конденсатор С1. Конденсатор же С2 соединяет выход усилителя 2 со входом 1, образуя цепь 100% обратной связи. Поскольку каждый каскад инвертирует сигнал (меняет полярность), после двух каскадов сигнал оказывается неинвертируемым, с , а обратная связь – положительной. R1 и R4 – резисторы нагрузки каскадов, а R2 и R3 – резисторы смещения, задающие ток базы, обеспечивающий насыщение транзисторов (т.е.полное включение, когда , a , где — коэффициент усиления транзисторов по току)

Коэффициент усиления этого двухкаскадного усилителя порядка , а коэффициент ослабления ПОС . Тогда произведение , и поэтому генерируется очень много гармоник, которые сложившись, дают на коллекторах VT1 и VT2 прямоугольные импульсы, сдвинутые по фазе. Если номиналы конденсаторов и резисторов в правой и левой частях схемы одинаковы, импульсы будут одинаковой длительности. В этом случае мультивибратор называют симметричным. При разных номиналах соответствующих деталей импульсы становятся несимметричными – один полупериод короче, другой – длиннее. Мультивибратор становится несимметричным с периодом:

.

Величина коллекторных резисторов R1 и R4 должна ограничить ток до допустимой величины (с запасом), а их максимальная величина не должна приводить к потере напряжения на коллекторах от теплового тока. Потеря напряжения от теплового тока должна быть не более 10% от .

Базовые резисторы R2 и R3 должны обеспечить ключевой режим транзисторов, т. е. их величина должна быть

.

Протекание зарядного тока емкостей С1 и С2 через резисторы R1 и R4 сглаживает фронты импульсов на коллекторах. Для улучшения формы импульса, например, на VT2 достаточно резистор R4 заменить на два параллельных и между ними включить высокочастотный диод VD, как показано на рис.14а.

В классической схеме мультивибратора рис.14а хронирующие конденсаторы С1 и С2 включены между коллектором одного транзистора VT1 (или VT2) и базой другого транзистора VT2 (или VT1). При опрокидывании мультивибратора напряжение на коллекторе быстро падает до нуля, заземляя обкладку С1 (или С2). Это приводит к появлению большого отрицательного напряжения , запирающего соседний транзистор. В этот момент появляются большие напряжения между коллектором и базой и между базой и эмиттером . Эту ситуацию иллюстрируют графики, представленные на рис. 14,в. Столь большие напряжения не допускают большинство транзисторов. Чаще всего напряжения между базой и эмиттером В. Это значительно ограничивает применение в схемах мультивибраторов большинства выпускаемых промышленностью транзисторов.

Для преодоления этой трудности предлагается коллекторное сопротивление R_К выполнять из двух последовательно включённых резисторов R_K¹ и R_K¹¹. Принципиальная схема мультивибратора принимает вид, представленный на рис. 14, б. Величина резистора R_K¹ подобрана так, чтобы на нём падало бы напряжение В. Остальная часть напряжения тогда будет падать на R_K¹¹. Благодаря этому приёму при отпирании транзистора на базу соседнего подаётся напряжение, не превышающее допустимое В, а вместо будет равняться .

Пренебрегая потерями напряжения на р-n переходах, можно получить упрощённую формулу для длительности импульса и периода колебаний .

Итак, напряжение на базе запертого транзистора изменяется от до . Импульс на коллекторе существует тогда, когда на базе напряжение отрицательно (рис.__). Длительность этого импульса зависит от постоянной времени или

.

Мультивибратор опрокидывается, когда становится равным 0, то есть когда

.

Отсюда получаем, что

, или

.

Соответственно, так как период колебаний мультивибратора складывается из суммы двух импульсов и , то

.