Автоколебательные мультивибраторы

Мультивибратор – релаксационный генератор, регенеративный процесс в котором осуществляется путем применения двух усилителей с положительной взаимной междукаскадной обратной связью. На рисунке 2.20 изображена схема транзисторного мультивибратора, построенного на основе двухкаскадного резисторного усилителя.

В автоколебательном режиме транзисторы поочередно переходят из открытого состояния в закрытое и обратно. При включении источника коллекторного питания один из транзисторов окажется открытым,
другой – закрытым. Если открыт, например, транзистор VT ₁, конденсатор С ₁, зарядившийся во время установления процессов в схеме, начинает разряжаться через R _б1 (R ₁) и VT ₁. Разрядный ток создает на резисторе r ₁ падение напряжения (см. «б»), убывающее по мере уменьшения этого тока по экспоненциальному закону. Это напряжение приложено к базе транзистора VT ₂ и поддерживает его в закрытом состоянии. В это же время конденсатор С ₂ заряжается от источника Е_к через участок эмиттер–база открытого транзистора VT ₁ и R _K2. По мере заряда С ₂ ток, протекающий по R _K2 уменьшается и потенциал коллектора VT ₂ (см. «в»), изменяющийся по экспоненциальному закону, становится более отрицательным. Через τ_ф = 3 R_{к 2} С ₂, когда С ₂ зарядится, потенциал коллектора станет примерно равен Е_к. Так как R ₁ >> Rк ₂,процесс разряда C ₁ проходит значительно медленнее, чем процесс заряда С ₂. Постоянная времени разряда C ₁ определяет длительность отрицательного импульса, снимаемого с коллектора VT ₂, т. е.τ ≈ 0,7 R ₁ C ₁.Когда потенциал базы VT ₂ приблизится к нулю, транзистор VT ₂ приоткрывается и начинает проводить ток. С этого момента в результате действия положительной обратной связи происходит лавинообразный процесс, в результате которого VT ₂ открывается, a VT ₁ закрывается. В дальнейшем все процессы повторяются, но уже относительно открытого транзистора VT ₂.

В реальных электрических цепях вследствие влияния паразитных емкостей и индуктивностей нарастание и исчезновение напряжения происходит за конечный промежуток времени, а вершина импульса имеет спад. Поэтому реальные импульсы (рисунок 2.20) характеризуется следующими параметрами:

U_m – амплитуда импульса, ∆ U – спад вершины импульса;

τ_ф – длительность фронта импульса; τ _С – длительность спада импульса;

τ_ф τ_И – длительность импульса.

Значения и τ_ф τ _С принято определять на интервале времени, в течение которого сигнал изменяется в пределах (0,1 – 0,9) U_m. Длительность импульса t _И определяют на уровне 0,1 U_m. Для периодической последовательности импульсов период следования T = t _И + t _П скважность q = или коэффициент заполнения J = и частота повторения импульсов F = .

В симметричном мультивибраторе:

- период колебания T ≈ 1,4 R ₁ C;

- амплитуда импульсов Um ≈ ;

- длительность импульсов τ_И ≈ 0,7 R ₁ C;

- длительность переднего фронта τ_ф ≈ 2 R_K C.

Существенным недостатком рассмотренного мультивибратора является малая крутизна передних фронтов выходных импульсов, которые вырождаются в экспоненты из-за протекания зарядных токов конденсаторов по коллекторным нагрузкам. Этот недостаток устраняется введением дополнительных путей протекания токов с последующим их разделением диодами.

Рисунок 2.20 – Схема транзисторного мультивибратора

Мультивибраторы, построенные на интегральных цифровых микросхемах

Схема (рисунок 2.21) содержит элементы И–НЕ, в которых выход третьего элемента DD 3 (точка 8) через резистор R 4 соединен со входом первого элемента DD 1 (точка 4), а выход второго элемента DD _1.2 (точка 5) через конденсатор С 1 со входом первого DD _1.1 (точка 4). Предположим, что в момент подключения источника питания устанавливается высокий потенциал точки 8 и низкий потенциал точки 4. В этом случае конденсатор будет заряжаться через резистор R 4 и выходную цепь элемента DD _1.2.

Рисунок 2.21 – Автоколебательный мультивибратор на ИМС

Через некоторый промежуток времени произойдет повышение потенциала точки 4 и переключение элементов DD _1.1 – DD _1.3.

Потенциал точки 5 станет высоким, а потенциал точки 8 – низким. Конденсатор С 1 начнет разряжаться через резистор R 4 и выходную цепь элемента DD _1.3. Через определенный промежуток времени потенциал точки 4 понизится, опять произойдет переключение элементов. Такие переключения будут повторяться через определенный промежуток времени, который зависит от величины сопротивления резистора и емкости конденсатора. Поскольку переключения происходят быстро, на выходе схемы появляются импульсы прямоугольной формы положительной полярности. Ориентировочно частота следования может быть определена как

F = .

На рисунке 2.22, приведена более сложная схема автоколебательного мультивибратора, в которой элемент И на выходе реализован с помощью двух элементов И–НЕ DD _2.3 и DD _2.4. При единичных выходах на элементах DD _2.1 и DD _2.2 на выходе DD _2.3 будет потенциал «0», на выходе DD _2.4 – «1». На вход DD _2.1 поступает высокий уровень напряжения, который приводит к отпиранию элемента DD _2.1 и возникновению режима автоколебаний.

Если на один из входов DD _2.3 поступает сигнал «0», то на выходе DD _2.3 «1», а на выходе DD _2.4 «0», т. е. резистор как бы заземлен, и мультивибратор работает в нормальном режиме.

Изменение скважности формируемых импульсов осуществляется выбором конденсаторов различной емкости. При этом работоспособность мультивибратора сохраняется при скважности близкой к 20. Разработка мультивибраторов рассматриваемой разновидности при заданном типе интегральных схем сводится к выбору резисторов и конденсаторов С ₂ и C ₃.

Рисунок 2.22 – Улучшенная схема мультивибратора на ИМС

При выбранном значении резисторов емкости конденсаторов С ₂ и С ₃ определяются однозначно, исходя из заданной длительности генерируемых импульсов. Режим мульти-вибратора, когда оба элемента DD _2.1 и DD _2.2 закрыты, предотвращается в схеме путем подачи положительного смещения (режим, когда оба элемента открыты, невозможен благодаря применению относительно малых сопротивлений резисторов).

Положительное смещение на входы элементов DD _2.1 и DD _2.2 можно создать автоматически, если учесть, что это смещение должно быть подано только в том случае, когда на выходах обоих элементов DD _2,1 и DD _2,2 высокие уровни напряжения, и должно быть отключено, когда мультивибратор работает нормально (один элемент закрыт, а другой – открыт), т. е. достаточно использовать на выходемультивибратора логический элементИ.