1.2 Мультивибраторы ( 1, 5, 7, 10, 11 15)

1.2.1 Автоколебательный мультивибратор с симметричными коллекторно-базовыми связями

Представленная на рисунке 1.2 схема называется автоколебательным мультивибратором, структурно представляющую собой двухкаскадный усилитель с емкостными связями, замкнутый в петлю положительной обратной связи. Ламповый вариант этой схемы был впервые предложен еще в 19 нашим соочественником

Схема, основные идеи которой нашли отражение в создании целого класса автогенераторных устройств, помимо практической значимости познавательна и с точки зрения теоретического подхода к ее анализу, обеспечения устойчивого генерирования импульсных колебаний и расчета их параметров.

1.2.1.1 Основные этапы работы схемы

а) Регенеративная стадия

Предположим, что при подаче напряжения питания ток коллектора одного из транзисторов, например VT1, случайно возрос. Последующие события в схеме будут развиваться, очевидно, следующим образом: уменьшится потенциал коллектора VT1, уменьшатся потенциал базы , токи базы и коллектора VT2, увеличится потенциалы коллектора VT2 и базы VT1, что вызовет еще большее возрастание тока коллектора VT1. Сказанное наглядно иллюстрируется приведенным ниже “графиком” событий:

i_k1u_k1 u_б2i_б2i_k2u_k2u_б1i_б1i_k1

подтверждающим наличие в схеме положительной обратной связи. Начавшийся процесс нарастания тока одного транзистора и уменьшения тока другого происходит достаточно быстро, лавинообразно, если выполняются условия самовозбуждения генератора, которые для рассматриваемой схемы сводятся к выполнению неравенства:

Рис. 1.2

(1.5)

K₀- коэффициент усиления по напряжению разомкнутого усилителя

₀₁, ₀₂, - коэффициенты передачи по току транзисторов

R_ВХ1, R_ВХ2 –входные сопротивления транзисторов

Длительность стадии регенерации определяет время нарастания тока коллектора до своего максимального значения и является в существенной степени определяющим фактором в оценке длительности фронтов t_c1,t_c2спада импульсных перепадов напряжений на коллекторах транзисторов, приблизительно равных:

t_c1=t_c2=1/2f_ (1.6)

где f_- предельная частота усиления тока базы

Окончание регенеративной стадии произойдет тогда, когда хотя бы один из транзисторов схемы выйдет из активного режима, то есть потеряет свои усилительные свойства.

Максимальное значение тока в коллекторной открывающегося транзистора VT1 достигается в режиме насыщения, для создания которого необходим токI_Б1, равный:

(1.7)

где I_KН1- ток в цепи коллектора насыщенного транзистора:

(1.8)

Рис.1.3

Здесь U_КН1, U_БН1- остаточные напряжения на коллекторе и базе транзистора VT1.

Поясним, каким образом происходит надежное запирание транзистора (в рассматриваемом этапе транзистора VT2).

Поскольку рано или поздно в схеме устанавливается периодический режим работы, то логично предположить, что на предыдущем этапе работы генератора транзистор VT1 был закрыт, а транзисторVT2 насыщен. Вследствие этого конденсатор С_Б2окажется заряженным до напряжения, близкого к напряжению источника питания Е_К, и положительной полярностью левой обкладки относительно правой. Изменение состояний транзисторов, то есть переход транзистораVT1 в режим насыщения, приведет к тому, что к эмиттерному переходуVT2 окажется приложенным отрицательное напряжение емкости С_Б2, надежно запирающее транзистор. Аналогичный процесс имеет место, когда состояния транзисторов изменились на противоположные. Только теперь роль запирающего источника будет играть напряжение на конденсаторе С_Б1.

б) Стадия восстановления

Этот этап начинается с момента окончания процесса опрокидывания при следующих начальных условиях: ток открытого транзистора определяется выражением (1.7), начальное напряжение на коллекторе VT2=U_KН0, начальное напряжение на конденсаторе С_Б2U_CБ2= -(Е_К-I_K01R _K1-U_БН2). Здесь характерная особенность- постепенное нарастание напряжения на коллекторе закрытого транзистораVT2, обусловленное зарядом емкости С_Б1через резисторR_K1и эмиттерный переход транзистораVT1 (Рис.1.3). Происходит формирование фронта нарастания импульса на коллекторе, длительность которого примерно равна:

t_н2=2,2R_K2C_Б1(1.9)

По аналогии можно записать:

t_н2=2,2R_K1C_Б2(1.10)

Cцелью гарантированного обеспечения перехода в состояние квазиустойчивого равновесия, когда все переходные процессы в коллекторных цепях можно считать закончившимися, время восстановления рассчитывают с некоторым запасом:

t_в=35R_KC_Б(1.11)

в) Этап квазиустойчивого состояния

На этом этапе происходят процессы, определяющие длительность импульса в коллекторной цепи транзистора закрытого состояния транзистора. Пусть, например, в результате регенеративного процесса оказался закрытым транзисторVT2. Бесконечно долго это состояние продолжаться не может, поскольку конденсатор С_Б2перезаряжается с противоположном направлении под действием источника Е_Б.

Обратимся к расчетной схеме цепи перезаряда, изображенной на рис.1.4. и запишем уравнение изменения напряжения на конденсаторе С_Б2,начальное значение которого приблизительно равно:

(1.12)

Рис.1.4

где: I_К01- тепловой ток транзистора VT1

С учетом теплового тока I_К02,, протекающего в базовой цепи транзистора VT2 и ускоряющего процесс перезаряда конденсатора, получим:

(1.13)

Примем за длительность импульса интервал времени, за который потенциал базы достигнет некоторого порогового значения , достаточного для отпирания транзистора. Без существенно погрешности будем считать его равным нулю (в действительности порог срабатывания для биполярных транзисторов находится в пределах десятых долей вольта). Приравняв левую часть (1.13) нулю, получим выражение для расчета длительности импульса t_И2:

(1.14)

Обычно напряжение источника питания Е_К и источника смещения Е_Б одинаковы, что позволяет упростить выражение и привести его к виду:

(1.15)

Заменив индексы в (1.15), получим выражение для длительности t_И1:

(1.16)

где _Б1=R_Б1С_Б1, _Б2=R_Б2С_Б2

Период и частота генерируемых колебаний соответственно равны:

Т=t_И1+t_И2 f=1/T (1.17)

Формулы (1.15), (1.16), (1.17) устанавливают связь между временными соотношениями в схеме и параметрами элементов схемы. Они же указывают на роль теплового тока, как одного из факторов, влияющих на стабильность частоты генерируемых колебаний. Вызвано это известной зависимостью теплового тока от температуры. Вообще следует отметить, что анализируемой схеме свойственна сравнительно невысокая стабильность частоты, предопределяющая ее область применения в устройствах, не предъявляющих высоких требований к этому параметру.

1.2.1.2 Рекомендации по расчету схемы

Исходными данными при расчете обычно являются: амплитуда генерируемых импульсов U_M, их частота f или период T, длительность t_и выходного импульса положительной полярности на нагрузке, параметры нагрузки, длительности фронтов выходного импульса t_н и t_c, температурный диапазон , стабильность частоты.

Условимся считать нагрузку включенной в цепь коллектора транзистора VT2, а характер ее – чисто активным . Также будем считать значения параметров схемы соответствующими их значениям при номинальных условиях.

Предлагаемая ниже последовательность этапов расчета состоит в следующем:

1. Определяем напряжения источника питания Е_К=U_M

2. Выбираем тип транзисторов, параметры которых удовлетворяют следующим значениям: U_KДОП>Е_К; U_КБДОП>2Е_К; I_KДОП>I_КН; f_>1/2t_c

3. По формуле (1.11) для известного значения R_K2=R_Н находим величину емкости С_Б1.

4. Находим величину R_Б2=R_K2_02(МИН)

5. Из формулы (1.15) находим С_Б2

6. Находим t_и1=T-t_и2 и рассчитываем R_Б1

7. Находим R_K1=R_Б1/ _01(МИН)

8. Рассчитываем значения выходных параметров схемы с учетом температурных изменений и разброса величин элементов схемы. И в случае их несоответствия требуемым осуществляем или необходимую коррекцию выбора и расчета элементной базы, или переходим к более качественной схемной реализации генератора.