1.2. Мультивибраторы [1, 5, 7, 10, 11 15]

1.2.1. Автоколебательный мультивибратор с симметричными коллекторно-базовыми связями

Схема, показанная на рис. 1.2, называется автоколебательным мультивибратором, структурно представляющим собой двухкаскадный усилитель с емкостными связями, замкнутый в петлю положительной обратной связи. Ламповый вариант этой схемы был впервые предложен еще в 1918 г. нашим соотечественником М.А. Бруевичем.

Рис. 1.2

Схема мультивибратора, 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, увеличился в большей степени, чем ток другого. Последующие события в схеме будут развиваться, очевидно, следующим образом: уменьшатся потенциал коллектора VT1, потенциал базы, токи базы и коллектора VT2, увеличатся потенциалы коллектора VT2 и базы VT1, что вызовет еще большее возрастание тока коллектора VT1. Сказанное наглядно иллюстрируется приведенным ниже «графиком» событий:

i_к1u_к1 u_б2i_б2i_к2u_к2u_б1i_б1i_к1,

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 соотношения:

, (1.5)

где K₀ – петлевой 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 существенным фактором в оценке длительности фронтов t_c1, t_c2 спада импульсных перепадов напряжений на коллекторах транзисторов (рис. 1.3), приблизительно равных:

, (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, т. е. потеряет свои усилительные свойства.

Максимальное значение тока в коллекторной цепи, открывающегося транзистора VT1 достигается в режиме насыщения, для создания которого необходим ток I_б1, равный:

, (1.7)

где – ток в цепи коллектора насыщенного транзистора:

. (1.8)

Здесь – 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, логично предположить, что на предыдущем этапе работы генератора транзистор VT1 был закрыт, а транзистор VT2 насыщен. Вследствие этого конденсатор окажется заряженным до напряжения, близкого к напряжению источника питанияЕ_к, и положительной полярностью левой обкладки относительно правой. Изменение состояний транзисторов, т. е. переход транзистора VT1 в режим насыщения, приведет к тому, что к эмиттерному переходу VT2 окажется приложенным отрицательное напряжение емкости , надежно запирающее транзистор. Аналогичный процесс имеет место, когда состояния транзисторов изменились на противоположные. Только теперь роль запирающего источника будет играть напряжение на конденсаторе.

б) Стадия восстановления

Этот этап начинается с момента окончания процесса опрокидывания при следующих начальных условиях: ток открытого транзистора определяется выражением (1.8), начальное напряжение на коллекторе VT1 равно U_кн 0, начальное напряжение на конденсаторе =U_Сб2= – (Е_к – I_к01R_к1 – U_бн2). Здесь характерная особенность – постепенное нарастание напряжения на коллекторе закрытого транзистора VT2, обусловленное зарядом

Рис. 1.3

емкости через резистор R_к2 и эмиттерный переход транзистора VT1 (рис. 1.3). Происходит формирование фронта нарастания импульса на коллекторе, длительность которого примерно равна:

t_н2 = 2,2R_к2C_б1. (1.9)

По аналогии можно записать:

t_н2 = 2,2R_к1C_б2. (1.10)

C целью 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_кC_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 транзистор VT2. Бесконечно долго это состояние продолжаться не может, поскольку конденсатор С_б2 перезаряжается в 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:

Рис. 1.4

,               (1.12)

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 существенной 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 напряжения 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.