Мультивибраторы

Мультивибратором называется релаксаци­онный автогенератор, представляющий собой двухкаскадный RС -усилитель с емкостной ПОС между каскадами. Мультивибра­торы могут быть реализованы на основе транзисторных ключей, операционных усилителей и интегральных логических схем.

Автоколебательные мультивибраторы используются в качестве генераторов прямоугольных импульсов с заданной длительностью и частотой повторения в тех случаях, когда нет жестких требований к стабильности этих параметров. Такие мультивибра­торы не имеют длительно устойчивых состояний равновесия.

Рисунок 4.10 – Автоколебательный мультивибратор

Простейшая схема автоколебательного мультивибратора выполнена в соответствии с рисунком 4.10, где также показаны временные диаграммы напряжений на базах и коллекторах обоих транзисторов. Схема имеет перекрестные коллекторно-базовые связи транзисторных каскадов, осуществляемые через емкости конденсаторов C1 и С2.

В момент времени t = 0 напряжение на конденсаторе С1 и на базе транзистора VT1 равно нулю. Так как напряжение па конденсаторе С2 равно U_П, напряжение на базе транзистора VT2 будет равно + U_П, а в связи с тем, что U_Сl = 0, напряжение на коллекторе VT2 будет равно нулю. В схеме начнется заряд емкости конденсатора C1 со скоростью, определяемой постоянной времени t ₃ = R_К2С1, и перезаряд емкости конденсатора С2 со скоростью, определяемой постоянной времени t _р = R_Б2С2. При этом напряжения на коллекторе и на базе транзистора VT2 будет стремиться к U_П.

В момент t = t ₁ напряжение U_Б2 станет равным нулю, транзистор VT2 откроется, а VТ1 окажется закрытым. В результате этого напряжения на базе первого транзистора и коллектора второго транзистора скачком изменятся на величину + U_п. В схеме начнется заряд емкости конденсатора С2 и перезаряд емкости конденсатора С1. В момент t = t₂, когда напряжение на базе первого транзистора станет равным нулю, произойдет новый переброс ключей и т. д.

Длительность импульса на коллекторе VТ1 соответствует времени пребывания транзистора в закрытом состоянии и определяется временем разряда емкости конденсатора С1: t _р = R_Б1·С1·ln2» 0,7·R_Б1·С1.

Период колебаний Т = 0,7(R _Б1 C1 + R _Б2 С2). Длительность фронта выходного импульса равна времени заряда емкости конденсатора С1 через R _К2: t _ф = 3t_з = 3· R _К2· С.

Блокинг-генераторы:

Блокинг-генератором называется однокаскадный релаксационный генератор с сильной ПОС, осуществляе­мой импульсными трансформаторами (обычно с ферромагнитными сердечниками, обладающими малыми паразитными параметрами).

Достоинствами блокинг-генераторов являются: относитель­ная простота схемы; способность формировать мощные им­пульсы, близкие по форме к прямоугольным; возможность подключения нагрузки через трансформатор. Блокинг-генера­торы применяются в качестве источников коротких импуль­сов с крутыми фронтами повторяющихся с относительно боль­шой скважностью, а также в качестве преобразователей постоянного на­пряжения низкого уровня в на­пряжение более высокого уровня.

Важнейшими параметрами бло­кинг-генераторов являются: длитель­ность формируемых импульсов и их стабильность, предельная частота срабатываний.

Блокинг-генераторы, как правило, строятся на дискретных компонентах. Стабильность частоты электрических колебаний на выходе блокинг-генератора невысока, поэтому блокинг-генераторы чаще используются в ждущем режиме.

В соответствии с рисунком 4.11 выполнена схема блокинг-генератора на транзисто­ре, работающая в ждущем режиме, и диаграммы напряжений. Обмотки W_К и W_Б включены так (начала обмоток отмечены точками), чтобы обратная связь была положительной. Нагрузка R _Н подключена с помощью дополнительной обмотки W _Н = K _ТРWК и включается для ограничения коллекторного тока на уровне, не превосходящем допустимый для данного транзистора.

Исходное состояние:

В исходном состоянии транзистор закрыт напряжение смещения (U_Б выбрано запирающим. При этом напряжение на базе закрытого транзистора U _БЭ= U_Б, напряжение на коллекторе транзистора U _KЭ= – U_K, напряже­ние на обмотках W_K, W_h равны нулю, ток намагничивания и магнитный поток в сердечнике также равны нулю. Исходное состояние является состоянием устойчивого равновесия.

Запуск и опрокидывание:

Блокинг-генератор запускается введением в цепь базы отпирающего импульса тока (рисунок 4.11). При открытии транзистора восстанавливается действие ПОС и возникает лавинообразный (регенеративный) процесс роста коллекторного и базового i _К токов транзистора рост скорости изменения коллекторного тока i _К приводит к росту абсолютного значения напряжения и ₂ (на базовой обмотке W_Б), имеющего отрицательную полярность, последнее приводит к росту i _Б и i _К.

Рисунок 4.11 – Блокинг – генератор

Если коэффициент петлевого усиления K ₀ больше единицы, то рост токов i _К, i _Б и напряжений u ₁, u ₂ на обмотках трансформатора носит лавинообразный характер Регенеративный процесс изменения токов и напряжений длится до тех пор, пока действует положительная обратная связь и выполняется условие K ₀ > 1. Нарушение этого условия наступает при переходе транзистора в режим насыщения в результате роста базового напряжения | u _Б| = | u ₂| и спада коллекторного напряжения | u _К| = U _П – и _г | (из-за роста | u _l|). В результате опрокидывания напряже­ние и ₁ возрастает практически до U _П, а | u _К| уменьшается практически до нуля.

Формирование импульса:

Вершина импульса формируется в интервале работы транзистора в режиме насыщения. Будем считать, что заряд в базе практически не меняется в режиме насыщения. После опрокидывания к обмоткам трансформатора приложены напряжения | u ₁| = U _П. |u ₂| = K _ТР U _П и в соответствии с законом электромагнитной индукции магнитный поток и ток намагничивания должны возрастать во времени. Увеличение тока намагничивания приводит к увеличению коллекторного тока i _К, который, в свою очередь, обусловливает рост уровня граничного заряда в базе транзистора. Этот процесс приводит к тому, что транзистор в некоторый момент времени переходит из режима насыщения в активный. В этот момент завершается формирование вершины импульса.

Обратное опрокидывание и восстановление исходного состояния:

В момент перехода транзистора в активный режим восстанавливается действие ПОС и возникает регенеративный процесс обратного опрокидывания, аналогичный процес­су при запуске блокинг-генератора. Происходит рассасывание граничного заряда через коллекторный переход, и транзистор закрывается.

За время обратного опрокидывания ток намагничивания трансформатора не успевает существенно измениться и к моменту закрывания транзистора в магнитном поле трансформатора запасена определенная энергия. Восстановление исходного состояния связано с рассеянием этой энергии – спадом тока намагничи­вания в контуре L _К R _НЭ(К _НЭ = R _Н/ К _ТР²). В режиме восстановления транзистор закрыт (i _К = 0).

Этот процесс может быть колебательным и апериодическим и завершается сравнительно быстро. Чтобы обеспечить апериодический режим, трансформатор шунтируют цепочкой R _ш, VD, которая влияет только на форму обратного выброса и уменьшает его амплитуду.

Для получения автоколебательного режима в блокинг-генераторе необходимо включить в цепь базы конденсатор С и выбрать напряжение смещения U _Б отрицательной полярности для транзистора р-п-р – типа и положительной — для транзистора n-p-n –типа. При этом устойчивое исходное состояние невозможно, если выполняется условие возникновения регенеративного процесса.

Генераторы линейно-изменяющегося напряжения:

Генераторами линейно изменяющегося напряжения называют устройства, напряжение на выходе которых имеет линейно нарастающий, линейно падающий участок, или треуголь­ную форму в соответствии с рисунком 4.12, где также показана функциональная схема генератора.

Практически все современные генераторы линейно изменяюще­гося напряжения основаны на использовании заряда или разряда емкости конденсатора во время рабочего хода с последующим восстановлением исходного состояния во время обратного хода.

Как известно, напряжение на емкости и _с связано с током соотношением u _c = . Для того чтобы нарастание напряжения на емкости было линейным, необходимо выполнить условие du _с/ dt = const. Поскольку du _c/ dt = i _c/ C, для создания линейно нарастающего напряжения нужно, чтобы зарядный ток емкости был постоянен.

Рисунок 4.12 – ГЛИН

Для получения периодической последовательности импульсов линейно изменяющегося напряжения требуется периодически заря­жать емкость конденсатора. Таким образом, функциональная схема генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) должна иметь вид, показанный на рисунке 4.13. Она состоит из двух основных частей: токостабилизирующего и ключевого устройств (Z₁ и Z ₂).

В генераторе линейно растущего напряжения зарядным двухпо­люсником Z ₁ является устройство, обеспечивающее по возможности постоянный ток заряда емкости конденсатора (стабилизатор тока), а разрядным Z ₂ – управляемый ключ, кото­рый размыкается на время рабочего хода и замыкается во время паузы между рабочими ходами.

В ГЛИН разрядный двухполюсник представляет собой стаби­лизатор тока, обычно управляемый, т.е. подключаемый к конденсатору во время рабочего хода. Зарядным двухполюсником здесь обычно является сопротивление резистора, постоянно под­ключенного к конденсатору.

Пилообразное напряжение используется в ряде импульсных устройств, например в схемах точного измерения времени, радиолокационных индикаторах, телевизионных ЭЛТ для получе­ния временной развертки луча, а также для преобразования напряжения во временной интервал.

Основными параметрами, характеризующими линейно изменя­ющееся напряжение (ток), являются период Т, длительность рабочею хода t _раб, длительности обратного хода t _обр, амплитуда U _m(I _m), коэффициент нелинейности

k _н = (V _max – V _min)/ |V _min|,

где V = du / dt | _{t =} t _РАБ – скорость изменения напряжения во время рабоче­го хода V _max, V _min – соответственно максимальное и минимальное значения скорости. Так как обычно скорость нарастания напряже­ния изменяется монотонно, то коэффициент нелинейности можно определить из выражения

k _н = (| V _нач| – | V _кон|)/| V _нач| = |D V / V _нач|,

где V _нач, V _кон – соответственно значения скорости в начале и конце рабочего хода.

Рисунок 4.13 – ГЛИН с транзисторным ключом

В качестве ключевых устройств в ГЛИН используют обычные электронные ключи. Токостабилизирующие устройства более разнообразны. В зависимости от типа токостабилизирующего устройства схемы ГЛИН делятся на три вида: с простой интегрирующей цепью, с токостабилизирующим двухполюсником, с компенсационными схемами. Генераторы указанных разновид­ностей могут быть автоколебательными и ждущими.

В ГЛИН с простой интегрирующей цепочкой постоянная времени цепи заряда t >> t _раб, т.е. используется только начальный участок зарядной экспоненты, поэтому ток i _c успевает лишь незначительно измениться относительно своего начального значе­ния и приближенно может считаться постоянным. Основным недостатком таких ГЛИН является малый коэффициент использо­вания напряжения питания (U _m/ U _п).

Таблица 4.4

Вариант	Принципиальная схема	Эпюры напряжений	Формула для расчета выходного напряжения
а)   б)

Принципиальная схема простейшего ГЛИН с транзисторным ключом и соответствующие диаграммы напряжения выполнены в соответствии с рисунком 4.13. В исходном состоянии при t < t ₁ (рисунок 4.13, б) транзис­тор насыщен и ток базы I _Б » U _П/ R _Б. Формирование рабочего хода происходит в интервале t _РАБ, когда транзистор закрыт входным отрицательным импульсом. Конденсатор C заряжается от источ­ника коллекторного питания через резистор R _К по закону и = U _П(1 – е^t/t), где t = C·R _К. В конце рабочего хода (момент t ₂) напряжение на выходе равно U _m. При случайном обрыве в цепи конденсатора или увеличении длительности запускающего импуль­са возможен пробой транзистора (обычно U _п >> U _m). Для предот­вращения пробоя включается фиксирующий диод VD. При напряжении и > U _ф(U _m< U _ф< U _{К ДОП}) открывается диод и фиксируется коллекторное напряжение на уровне U _ф (при и < U _ф диод закрыт).

Обратный ход формируется после прекращения действия входного импульса (t > t ₂). Транзистор открывается. Конденсатор разряжается через выходное сопротивление открытого транзистора.

Более совершенными являются ГЛИН с токостабилизирующими двухполюсниками, которые позволяют получить напряжения с большей линейностью при коэффициенте использования питающе­го напряжения, близком к единице.

В качестве токостабилизирующего двухполюсника часто исполь­зуется транзистор. Как известно, при постоянном токе базы коллекторный ток транзистора мало меняется при изменении напряжения коллектора в широких пределах. Это свойство транзисторов используется для стабилизации разрядного или зарядного тока в ГЛИН. Лучших показателей ГЛИН можно достигнуть при выполнении их на основе операционных усилителей с отрицательной обратной связью (таблица 4.3, варианты а и б).