Мультивибраторы

Автоколебательным мультивибратором (MB) называется устройство, которое не имеет ни одного устойчивого состояния, а периодически находится в одном из двух квазиустойчивых состояний, переход в которые происходит регенеративно. Мультивибраторы работают в режиме автоколебаний. При этом они генерируют импульсы прямоугольной или близкой к прямоугольной формы, амплитуда, длительность и частота повторения которых зависят от параметров компонентов мультивибратора.

Мультивибратор на дискретных элементах. Простейшая схема MB, выполненного на дискретных элементах, представлена на рис. 5.2.1, а. Она состоит из двух усилителей-инверторов на транзисторах VT1 и VT2, соединенных между собой коллекторно-базовыми положительными обратными связями через конденсаторы С1 и С2. В качестве времязадающих используются RС- цепи, переходные процессы которых показаны на рис. 5.1.1, в. Работа мультивибратора в течение одного полного периода иллюстрируется временными диаграммами на рис. 5.2.1, б. Для упрощения анализа на этих диаграммах токи І_К0 не учитываются, падение напряжения на открытом транзисторе считается равным нулю, длительность переходных процессов в транзисторах при переключении схемы считается пренебрежимо малой по сравнению с переходными процессами во времязадающих цепях.

Начнем анализ схемы с момента t₁. До этого момента транзистор VT1 закрыт и его коллекторное напряжение практически равно- Ε_К, коллекторный ток равен нулю (более точно i_К1 = I_К0, а и_К1 = - Ε_К + І_К0 R_К1). Транзистор VT2 открыт и стянут в точку, его коллекторный ток i_К2 = I_Кн2, а коллекторное напряжение U_К2≈0. Открытое состояние VT2 обеспечивается током базы

i_Б2 = І_Би2, протекающим от источника Ε_см через сопротивление резистора R_Б1. Запертое состояние VT1 обеспечивается положительным напряжением конденсатора С2, подключенного через открытый транзистор VT2 прямо к эмиттерному переходу транзистора VT1, т.е. и_Б1 = и_С2.

Конденсатор С1 заряжен через эмиттерный переход открытого транзистора VT2 и сопротивление резистора R_К1 до напряжения ≈ E_К.

Такое состояние схемы устойчиво только временно (квазиустойчиво), поскольку напряжение на конденсаторе С2 не остается постоянным. Конденсатор С2 перезаряжается от напряжения E_К к напряжению - E_см. Однако в момент t₁ когда и_С2 = u_Б1 ≈ 0, транзистор VT1 начинает открываться, его коллекторное напряжение по модулю уменьшается, коллекторный ток возрастает. Базовый ток открытого транзистора VT2 зависит от трех источников напряжения: - E _см, u_C1≈ Е_К и u_К1 (t).

В силу быстротечности процессов переключения напряжение u_C1 за это время практически не изменяется и процесс изменения тока базы i_Б2 полностью определяется изменением напряжения и_К1(t). Уменьшение (по модулю) этого напряжения приводит к уменьшению i_Б2 и транзистор VT2 начинает закрываться. Это вызывает уменьшение коллекторного тока i_К2 и увеличение (по модулю) коллекторного напряжения u_К2, что по цепи обратной связи передается в базу транзистора VT1, вызывая рост его базового тока i_Б1 и еще большее его отпирание и т. д. Таким образом, как показано на временных диаграммах (рис. 5.2.1, в), в момент t₁ схема практически мгновенно переходит во второе квазиустойчивое состояние, в котором транзистор VT1 открыт, а транзистор VT2 закрыт. Это состояние обеспечивается тем, что заряженный ранее до напряжения E_К конденсатор С1 через открытый транзистор VT1 подключен к базе транзистора VT2, обеспечивая его надежное запирание в течение всего второго квазиустойчивого состояния.

С момента t₁ начинаются медленные переходные процессы в схеме. Суть их сводится к следующему. Ток базы транзистора VT1 i_Б1 сначала скачком увеличивается, так как в первый момент этот ток определяется в основном составляющей, протекающей от источника напряжения Е_К через разряженный конденсатор С2 и резистор R_К2, величина сопротивления которого значительно меньше сопротивления резистора R_Б2. По мере заряда конденсатора С2 ток базы i_Б1 уменьшается до своего квазиустановившегося состояния γ І_Бн1, где γ = 1,2 … 1,5. Ток базы транзистора VT2 i_Б2 в момент переключения меняет свой знак из-за подключения к эмиттерному переходу запирающего напряжения и_С1 конденсатора С1, а по окончании процессов рассасывания объемного заряда базы и заряда паразитных емкостей становится равным нулю.

Напряжение на коллекторе транзистора VT2, несмотря на то, что его коллекторный ток уменьшается скачкообразно до нуля, устанавливается не сразу, а нарастает по экспоненциальному закону с постоянной времени R_К2C₂. Это объясняется зарядом конденсатора С2 через резистор R_К2.

Напряжение на конденсаторе С1 и_С1 = и_Б1 уменьшается по экспо-ненциальному закону с постоянной времени R_Б1C1, изменяясь от начальной величины Е_К к напряжению источника смещения - Е_см. В момент времени t₂ u_{С1= =} u_Б1 ≈ 0 происходит обратное переключение схемы, ход процессов в течение которого не отличается от рассмотренного.

Недостатком схемы простейшего MB является завал фронтов импульсов коллекторного напряжения. Этот недостаток устранен в схеме (рис. 5.2.1, б). Здесь восстановление заряда конденсаторов С1 и С2 происходит не через коллекторные сопротивления R_K1 и R_К2, а через специальные зарядные сопротивления R_з1 и R_з2. Диоды VD1 и VD2 не влияют на работу времязадающих цепей R_Б1 С1 и R_Б2 С2, но препятствуют протеканию зарядного тока в процессе восстановления напряжения на конденсаторах через коллекторные резисторы. Переходные процессы формирования u_K1 и и_К2 показаны на временных диаграммах (рис. 5.2.1, в) штриховыми линиями.

Рассмотрим основные соотношения, описывающие работу MB, по его эквивалентной схеме для одного из квазиустойчивых состояний (когда VT1 открыт, a VT2 закрыт - рис. 5.2.2). В этой схеме открытый транзистор VT1 заменен эквипотенциальной точкой, закрытый транзистор VT2 - источником І_Ко. Заряженный конденсатор С1 опущен, так как не влияет на процессы, происходящие на этом этапе. Конденсатор С1 перезаряжается.

Квазиустойчивое состояние этой схемы определяется двумя условиями:

1) ток i_Б1 должен быть не меньше тока базы насыщения І_{Б н 1} ;

2) напряжение и_Б2 должно быть больше нуля.

Второе условие выполняется самим принципом построения схемы

(u_Б2 = u_С1 > 0), а для выполнения первого запишем значение базового тока i_{Б1 :}

(5.2)

Так как І_Бн1= то условие (7.2) можно переписать в виде

(5.3)

откуда можно определить максимально допустимое значение сопротивления резистора R_Б2

(5.4)

Если принять Е_см = kEк, то неравенство (5.4) окончательно запишется

R_Б2 ≤ β_minkR_К1 (5.5)

При E_см = Е_К R_Б2 ≤ β_minR_К1

Временные параметры схемы можно определить, пользуясь уравнением (5.1) и эквивалентной схемой замещения. Величины U(∞), U(0) и U_пор для данной эквивалентной схемы принимают значения:

U(∞) = E_см + І_К0R_Б1; (5.6)

U(0) = -(-E_К + І_К0R_К1); (5.7)

U_пор = 0 (5.8)

Подставляя значение U(∞), U(0) и U_пор в уравнение (5.1), получим длительность импульса на выходе транзистора

(5.9)

где τ₁ = R_Б1C₁.

Учитывая, что R_Б1 >> R_К1, и обозначив = υ, получим

. (5.10)

Здесь величина υ является фактором теплового тока, характеризующим отношение последнего к насыщающему току базы.

Аналогично для второго полупериода

, (5.11)

где τ₂ = R_Б2С₂.

Если тепловой ток І_К0 очень мал (кремниевые транзисторы или низкая рабочая температура), а напряжение E_см = E_К, то формулы (5.10) и (5.11) упрощаются:

t_{и1 =} τ₁ℓn2 ≈ 0.7С₁R₁; (5.12)

t_{и 2 =} τ₂ℓn2 ≈ 0.7С₂R₂; (5.13)

В полностью симметричном мультивибраторе, в котором R_Б1 = R _Б2 = R; C₁ = C₂ = C, длительности полупериодов будут одинаковыми и полный период равен

T = t_и1 + t_и2 = 2RCℓn (5.14)

В факторе υ скрыта температурная зависимость длительности генерируемых импульсов, а следовательно, и рабочей частоты. С увеличением температуры возрастает ток І_К0, т. е. фактор υ, длительность импульсов уменьшается, а рабочая частота возрастает.

Регулировать частоту колебаний мультивибратора, как видно из формул (5.10) и (5.11), можно, изменяя постоянные времени τ₁ и τ₂ или коэффициент k, т. е. значение напряжения смещения E_см. Наиболее предпочтительно регулировать частоту изменением емкости конденсаторов С1 и С2, так как при этом не изменяются квазиустановившиеся режимы работы транзисторов. Однако изготовление конденсаторов с переменной емкостью является сложной задачей. Поэтому при необходимости изменять частоту в широком диапазоне используют ступенчатое подключение конденсаторов, разбивая весь диапазон регулирования на поддиапазоны, а внутри каждого поддиапазона регулируют величину напряжения смещения или величину сопротивлений резисторов R_Б1 и R_Б2. Следует отметить, что при изменении Е_см изменяется частота колебания мультивибратора без изменения скважности. При изменении же постоянных времени τ₁ и τ₂, независимо друг от друга, изменяются и частота, и скважность генерируемых импульсов.