RC-генератор с лестничной схемой обратной связи

На рис. 7, а показана схема такого генератора, представляющая собой однокаскадный транзисторный усилитель, между входом и выходом которого включен лестничный пассивный RCчетырехполюсник (для упрощения рисунка цепь смещения на нем не приведена)

Для возникновения генерации колебании необходимо, чтобы напряжение обратной связи, подаваемое на вход генератора, непрерывно возрастало. Это возможно только тогда, когда усиление усилительного каскада больше ослабления, вносимого цепью обратной связи. Кроме того, должно выполняться условие баланса фаз. Последнее означает, что поскольку один каскад транзисторного усилителя вносит сдвиг фаз, равный 180°, то цепь обратной связи также должна вносить сдвиг фаз 180°, чтобы общий сдвиг фаз равнялся 0° (или 360°)

Однако простейшее RС-звено вносит сдвиг фаз, не превышающий 90°. Поэтому необходимо взять число звеньев не меньше трех. Зависимость сдвига фаз от частоты RС-цепи из трех звеньев показана на рис. 7, 6. Элементы RС-цепи рассчитывают так, что бы на частоте генерации получить сдвиг фаз 180⁰.

В стационарном режиме, кроме баланса фаз, выполняется также и баланс амплитуд. При этом усиление усилительного каскада становится равным ослаблению цепи ОС, амплитуда напряжения цепи обратной связи, а значит и выходного, остаемся постоянной.

 

Рис. 7

Из баланса фаз j_у(w_г) + j_ос(w_г) = 2p следует, что j_ос(w_г) = p. Частота генерации

Недостатком RС-генераторов является то, что в стационарном режиме за счет нелинейности ВАХ (благодаря которой и устанавливается амплитуда колебаний) происходит искажение формы тока i_K в цепи коллектора. Выходное напряжение в RС -автогенераторе снимается с резистора R_K и имеет ту же форму, что и ток i_K, т. е. является несинусоидальным.

Для получения формы колебаний, близкой к синусоидальной, нужно, чтобы колебания не выходили за пределы линейного участка ВАХ

Поэтому на практике рост колебании ограничивается не нелинейностью транзистора, а специальным нелинейным элементом (НЭ), в качестве которого используются полупроводниковые или металлические терморезисторы.

Лекция 12

Мультивибраторы

Мультивибраторы применяются для генерирования прямоугольных импульсов в тех случаях, когда нет жестких требований к их длительности и частоте повторения.

Схема простейшего автоколебательного мультивибратора на транзисторах приведена на рис. 1, а. Он представляет собой двухкаскадный усилитель с положительной ОС, замкнутый в кольцевую схему: выход первого усилителя соединен со входом второго, а выход второго — со входом первого. Если R_к1=R_к2; R_б1=R_б2, С1=С2, то мультивибратор называют симметричным.

При подключении источника питания токи проходят через оба транзистора VT1 и VT2. Одновременно начинается зарядка конденсаторов С1 и С2. Напряжения на конденсаторах иС1 и иС2 нарастают по экспоненциальному закону.

Рис. 1. Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми связями (а) и графики напряжений на электродах транзисторов (б)

 

По мере увеличения коллекторных токов транзисторов повышаются и коэффициенты усиления плеч (т. е. первого и второго усилительных каскадов) мультивибратора.

Пока bК <1 (b — коэффициент передачи цепи положительной ОС; К — коэффициент усиления), происходит увеличение коллекторных токов обоих транзисторов и увеличение напряжений иС1 и иС2. Мультивибратор работает как двухкаскадный усилитель с положительной ОС.

Вследствие даже незначительной асимметрии плеч мультивибратора, вызванной разбросом параметров транзисторов, резисторов и конденсаторов, коллекторный ток одного транзистора окажется больше по сравнению с коллекторным током другого транзистора. При bК >1 это приведет к возникновению регенеративного процесса. Действительно, пусть коллекторный ток I_к1 транзистора VT1 будет больше коллекторного тока I_к2 транзистора VT2. Это вызовет уменьшение коллекторного напряжения транзистора VT1, которое передается через конденсатор С1 на базу транзистора VT2 и приводит к уменьшению коллекторного тока I_к2 этого транзистора. Уменьшение тока сопровождается увеличением коллекторного напряжения транзистора VT2, которое через конденсатор С2 передается на базу транзистора VT1 и приводит к еще большему увеличению коллекторного тока I_к1, уменьшению коллекторного напряжения транзистора VT1 и т. д.

Процесс увеличения коллекторного тока I_к1 и уменьшения коллекторного тока I_к2 вследствие действия положительной ОС носит лавинообразный характер и заканчивается переходом транзистора VT1 в режим насыщения, а транзистора VT2 — в режим отсечки.

При открытом и насыщенном транзисторе VT1 конденсатор С1 оказывается подключенным через малое сопротивление r_кэ1 между базой и эмиттером транзистора VT2. При этом отрицательное напряжение U_бэ2 поддерживает транзистор VT2 в закрытом состоянии. В таком состоянии, которое называется временно устойчивым или квазиравновесным, мультивибратор будет находиться в течение времени, определяемого перезарядкой конденсатора С1 по цепи:+Е_п-R_б2-С1-коллектор — эмиттер VT1- -E_п В это же время происходит зарядка конденсатора С2 по цепи:+Е_п-R_к2-С2-база — эмиттер VT1- -Е_п.

Обычно элементы R_к и R_б выбирают так, чтобы процесс зарядки конденсатора протекал быстрее, чем процесс их перезарядки. Поэтому конденсатор С2 успеет зарядиться до значения коллекторного напряжения закрытого транзистора VT2, которое примерно равно +Е_п

После окончания зарядки С2 транзистор VT1 будет удерживаться в режиме насыщения за счет протекания тока базы I_б1 = I_{б нас} =Е_п/R_б1.

По мере перезарядки конденсатора С1 напряжение увеличивается и в некоторый момент достигает нулевого значения. С этого момента транзистор VT2 начнет открываться, его коллекторное напряжение u_кэ2 уменьшается и в мультивибраторе замыкается цепь ПОС, вызывающая лавинообразный процесс изменений токов и напряжений.Этот процесс заканчивается запиранием транзистора VT1 и переходом в режим насыщения транзистора VT2.

Мультивибратор переходит во второе квазиустойчивое состояние равновесия, в котором начинается зарядка конденсатора С1 по цепи: +Е_п-R_к1-С2-база-эмиттер VT2- -Е_п, и перезарядка конденсатора С2 по цепи: +Е_п-R_б1-С2-коллектор — эмиттер VT2- -Е_п.

Гранзистор VT1 будет поддерживаться в закрытом состоянии напряжением u_c2 которое подключается через малое сопротивление r_кэ2 между его базой и эмиттером минусом к базе. Такое квазиустойчивое состояние будет сохраняться до тех пор, пока напряжение u_c2 не достигнет нулевого значения. С этого момента начнет развиваться новый лавинообразный процесс изменений токов и напряжений, который приведет к отпиранию транзистора VT1 и запиранию VT2.

Графики изменений коллекторных и базовых напряжений мультивибратора показаны на рис. 1, б.

Время закрытого состояния транзистора VT1 или длительность положительного импульса, снимаемого с выхода 1, определяется перезарядкой конденсатора С2 и рассчитывается по приближенной формуле: t_н1»C2R_б1ln2»0,7C2R_б1.

Аналогично t_н2»C1R_б2ln2»0,7C1R_б2.

Период повторения Т=t_н1+t_н2=0,7(С1R_б2+С2R_б1).

В симметричном мультивибраторе при C1=C2=C и R_б1 = R_б2 = R_б,

t_н1=t_н2=0,7СR_б; Т»1,4СR_б.

Мультивибратор, схема которого показана на рис. 1, а, называют мультивибратором с коллекторно-базовыми связями и положительной базой. Если резисторы R_б1 и R_б2 включить между базами транзисторов и отрицательным полюсом источника, то получится мультивибратор с коллекторно-базовыми связями и нулевой базой. Он обладает меньшей стабильностью длительности и периода повторения импульсов.

На рис. 2, а приведена схема мультивибратора на операционном усилителе (ОУ). Рассмотрим его работу.

Рис. 2 Схема мультивибратора на ОУ (а) и графики изменений напряжения на конденсаторе и выходе мультивибратора (б)

 

В момент подключения мультивибратора к источникам питания а состояние ОУ является неопределенным. Предположим, что в этот момент u_вых = u_{вых max}.

Следовательно, на неинвертирующем входе ОУ действует положительное напряжение u(-)_{вх max} = u_{вых max} R1/(R1+R2),, а конденсатор С заряжается через резистор R3.

При увеличении напряжения на конденсаторе до значения, близкого к u(+)_{вых max} ОУ выходит из режима насыщения, вступает в действие положительная ОС и начинается

лавинообразный процесс переключения (опрокидывания), в результате которого на выходе ОУ устанавливается минимальный нижний уровень напряжения u_вых = u_{вых min}

и напряжение на неинвертирующем входе принимает значение u(+)_{вх min} = u_{вых min} R1/(R1+R2). Конденсатор С начинает перезаряжаться через резистор R3.

При уменьшении напряжения и_с до значения, близкого к u(+)_{вх min} происходит обратное опрокидывание и т. д.

Графики выходного напряжения и напряжения на конденсаторе, иллюстрирующие работу мультивибратора, показаны на рис. 2, б.

 

Одновибраторы

Одновибраторы используются для получения прямоугольных импульсов напряжения большой длительности (от десятков микросекунд до сотен миллисекунд), в качестве устройств задержки, делителей частоты и для других целей.

Одновибратор обладает одним устойчивым состоянием, в котором может находиться сколь угодно долго, пока к нему не будет приложено внешнее напряжение, переводящее его в квазиустойчивое состояние. Переход из квазиустойчивого состояния в устойчивое осуществляется в одновибраторе самостоятельно.