Глава 9. Мультивибраторы и одновибраторы.

9.1. Исходные положения

Мультивибраторы относятся к генераторам релаксационного типа, у который форма генерируемых колебаний отличается от синусоидальной, а длительность импульсов зависит от реактивных элементов (конденсаторов). Наиболее часто мультивибраторы строятся на многокаскадных ключах с положительной обратной связью, замкнутых в кольцо. От триггеров мультивибраторы отличаются наличием времязадающих RC-цепей. Мультивибраторы могут работать в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем или синхронном.

В автоколебательном режиме мультивибратор имеет два состояния квазиравновесия, когда в схеме происходит медленное изменение токов и напряжений, завершающееся их лавинообразным изменением. Параметры генерируемых импульсов (амплитуда, длительность, частота и пр.) зависят от параметров схемы. Основное требование – стабильность частоты.

В ждущем режиме одно состояние равновесия является устойчивым, второе – квазиустойчивым. Перевод из первого во второе осуществляется за счет внешнего воздействия, а возвращение из второго в первое – в результате внутренних процессов. Генерируется один импульс на выходе. Используются для генерации импульсов заданной длительности.

В режиме синхронизации на вход мультивибратора подается внешнее синхронизирующее напряжение синусоидальной формы, в результате чего частота импульсов на выходе кратна частоте синхронизирующего сигнала.

2. Мультивибратор в автоколебательном режиме

Схема мультивибратора представляет собой двухкаскадный ключ с ОЭ.

Конденсаторы С_б1 и С_б2 входят во времязадающие цепи совместно с резисторами R_б1 и R_б2 . Выходом являются коллекторные цепи Т1 и Т2.

Рис. 73. Мультивибратор с коллекторно-базовыми связями: а) принципиальная схема; б) временная диаграмма разряда конденсатора; в, г) эквивалентные схемы.

Пусть в начале процесса Т1 насыщен, а Т2 заперт. Тогда U_к1  0,

U_б1  0. Напряжение с С_б2 с указанной полярностью приложено к переходу база-эмиттер транзистора Т2 и удерживает его в запертом состоянии. Для транзистора Т2 имеем U_к2  - E_к , U_б2  U_Сб2, которое в первоначальный момент времени близко к +Е_к. Под действием отрицательного напряжения – Е_к конденсатор С_б2 перезаряжается (момент времени t=0 на Рис. 74), напряжение на нем спадает по экспоненте. Цепь перезаряда: Т1 – С_б2 – R_экв.2 - (-Е_к). Здесь R_экв.2 = [(r_к2 + R_к2) R_б2] / (r_к2 + R_к2 + R_б2). При этом конденсатор С_б1 заряжается по цепи Т1 – С_б1 - R_к2 – (-Е_к).

По мере изменения заряда конденсатора в момент времениt₁ напряжение на С_б2 уменьшится до нуля, произойдет лавинный процесс опрокидывания.

Т

Рис.74. Временные диаграммы напряжений в схеме мультивибратора

2 открывается и насыщается, а Т1 – запирается. Через базовую цепь Т2 – С_б2 - R_к1 – (-Е_к) происходит заряд конденсатора С_б2 и одновременно медленный перезаряд С_б1 по цепи: Т2 – С_б1 - R_экв.1 – (-Е_к). На этом завершилось формирование импульса на выходе первого транзистора. Длительность импульса может быть определена как

(9.1)

где:

Поскольку сопротивление закрытого транзистора r_к велико, (10⁵ – 10⁶ Ом) и

r_к >> R_к , а также с учетом R_б1 << r_к1 и E_к >> I_ко R_б получим:

t_и1 = C_б1 R_б1 ln 2  0,7 R_б1 C_б1 (9.2)

Аналогично t_и2 = 0,7 R_б2 C_б2. Период колебаний равен T = t_и1 + t_и2. Амплитуда импульсов равна:

U_макс = E_к - I_ко R_к  E_к. (9.3)

Длительности импульсов t_и1 и t_и2 можно регулировать изменением параметров схемы. Скважность импульсов равна Q=(t_и1+t_и2 )/ t_и1 = 1 + (t_и2/t_и1). Скважность ограничивается временем полного заряда конденсатора с большей емкостью и для обычных транзисторов с = 30 может быть не более 10.

Возможна ситуация, когда мультивибратор при подаче питания не сможет самовозбудится. Тогда надо подавать внешний запускающий импульс.

Для получения более плоской вершины импульса необходимо соблюдать условие: R_б1 < R_к1 ; R_б2 < R_к2.

Улучшить форму импульса, приближая ее к прямоугольной, можно применив схемы с отсекающими и фиксирующими диодами.

2. Одновибратор с эмиттерной связью

Одновибратор с эмиттерной связью предназначен для формирования прямоугольных импульсов заданной длительности и амплитуды. Можно, также. Обеспечивать задержку импульсов на заданное время. Схема одновибратора приведена на Рис. 75 .

Рис. 75. Принципиальная схема одновибратора с эмиттерной связью.

Схема содержит двухкаскадный ключ с положительной обратной связью. Связь между каскадами осуществляется через конденсатор С и резистор R_э . В исходном состоянии устойчивого равновесия транзистор Т1 заперт, а Т2 – открыт и насыщен. Насыщение Т2 обеспечивается резистором R_б < R_к2. В эмиттерной цепи Т2 течет ток I_э = E_к / (R_к2 + R_э) . За счет этого тока на R_э создается падение напряжения U_э = I_э R_э с полярностью, показанной на рисунке. Через делитель R1 и R2 течет ток делителя, который создает на R2 падение напряжения U_R2 с полярностью, показанной на рисунке. Если U_э > U_R2 , то на базу Т1 подается положительное напряжение ( U_б1 > 0 ) и обеспечивается запертое состояние Т1. Конденсатор C в исходном состоянии заряжен до напряжения U_С = E_к - U_э (полярность указана на рисунке). Цепь заряда конденсатора: через R_э - эмиттер-база Т2 - С – R_к1 - (-Е_к).

При поступлении на базу Т1 отрицательного запускающего импульса с амплитудой, большей, чем U_б1, транзистор начинает отпираться и отрицательное напряжение на его коллекторе снижается. Это приращение через конденсатор С передается на базу транзистора Т2, запирая его и уменьшая ток эмиттера. Отрицательное приращение напряжения на R_э , равное (U_R2 – U_э), прикладывается к базе Т1, отпирая его еще больше. Этот лавинный процесс заканчивается запиранием Т2 и насыщением Т1. Схема приходит в квазистационарное состояние.

В состоянии квазиравновесия ток через резистор R1 достаточен для насыщения Т1, а транзистор Т2 удерживается в запертом состоянии напряжением на конденсаторе С, которое через Т1 приложено к переходу эмиттер-база транзистора Т2, т.е. U_б2 = U_С > 0. При этом происходит медленный перезаряд конденсатора С по цепи: R_э - эмиттер-коллектор Т1 – С - R_б - (- Е_к). Когда U_б2 = 0, отпирается Т2 и одновибратор возвращается в исходное состояние. Конденсатор С снова заряжается до напряжения, почти равного Е_к.

Длительность генерируемого импульса равна

(9.4)

Время восстановления зависит от времени заряда конденсатора:

(9.5)

Для нормальной работы надо, чтобы к приходу нового запускающего импульса процесс восстановления закончился. Отсюда период будет равен

T = t_и + t_в. (9.6)

Амплитуда импульса на коллекторе транзистора Т2 равна:

U_макс = E_к R_к2/ (R_к2 + R_э) (9.7)

Для обеспечения устойчивости запуска одновибратора находят применение схемы с диодным коллекторным запуском импульсом положительной полярности (Рис.75,б). При этом в процессе опрокидывания диод отключает одновибратор от цепи запуска.