Тема 7. Свойства и параметры одновибраторов и генераторов

Цель занятия. Разработка и расчет параметров импульсных схем на основе релаксационных генераторов импульсных сигналов.

Для получения импульсов прямоугольной формы применяются схемы мультивибраторов, которые делятся на две основные группы:

- автоколебательные мультивибраторы, работающие в режиме непрерывной генерации прямоугольных импульсов;

- ждущие мультивибраторы (одновибраторы), работают в режиме генерации одиночных импульсов или пачки импульсов при воздействии запускающего импульса.

На базе схем автоколебательного мультивибратора можно построить:

1) Задающий генератор (симметричный автоколебательный мультивибратор используют в качестве синхрогенератора или генератора тактовой частоты);

2) Генератор переменной частоты (частоту колебаний мультивибратора можно перестраивать электронно - путем изменения напряжения смещения или путем изменения параметров, определяющих постоянную времени RC-цепи);

3) Генерирование гармоник (выходные сигналы мультивибратора представляют скачкообразные изменения напряжения, поэтому они содержат гармонические составляющие высоких порядков).

Назначение ждущих мультивибраторов (одновибраторов):

1) для формирования импульсов: - входной короткий импульс с помощью одновибратора можно преобразовать в импульс заданной длительности и амплитуды;

2) для задержки импульсов: - задний фронт (спад) выходного импульса одновибратора можно использовать для задержки относительно входного импульса.

7.1. Автоколебательный мультивибратор.

Мультивибраторы можно построить на дискретных элементах, на интегральных микросхемах (ОУ) и на логических интегральных микросхемах ИМС.

Рассмотрим пример расчета параметров схемы

1. Схема (рис. 7.1) автоколебательного мультивибратора выполнена на двух биполярных транзисторах.

Выход Q₁ – можно назвать прямым, но тогда выход Q₂ будет инверсным по отношению к первому входу.

При R₁ = R₂ = R и С₁ = С₂ = С длительность выходного импульса и длительность паузы равны между собой и при этом схему называют симметричный мультивибратор, иначе схему называют несимметричный мультивибратор.

Выходные импульсы с амплитудой U_Вых  Е_К имеет длительность t_И

t_И = R₁·C₁ln{[2E_K+I_КБО·(R₁–R_К1)]/(E_K+I_КБО·R₁)} (7.1)

и длительность паузы

t_П = R₂·C₂·ln{[2E_K+I_КБО·(R₂–R_К2)]/(E_K+I_КБО·R₂)} (7.2)

Период следования и частота импульсов составят:

Т = t_И + t_П; f_И = 1/t. (7.3)

При условии Е_К >>I_КБО∙R₁, Е_К >>I_КБО∙R₂ выражения (7.1) и (7.2) упрощаются:

t_И ≈ R₁·C₁·ln2 = 0,69·R₁·C₁. (на уровне 0,5 U_{Вых. Mах.}.) (7.4)

Иногда длительность импульса измеряют на уровне 0,5 U_{Вых. Mах}.

t_П ≈ R₂·C₂·ln2 = 0,69·R₂·C₂. (на уровне 0,5 U_{Вых. Mах.}) (7.5)

Длительность заднего фронта при отпирании транзистора VT₂

t^─_ФР ≈ 3τ_α. (7.6)

где τ_α = 1/(2·π·f_T) ≈ 1,2/(2·π·f_α) - постоянная време­ни (* см. работу ключа) (7.7)

f_T и f_α - граничные частоты транзистора (справочное).

Длительность переднего фронта при запирании транзистора VT₂.

t⁺_ФР ≈ 3R_К2·C₂ (7.8)

Условие насыщения открытого транзистора R ≤ β_Mин.·R_К. (7.9)

Скважность – параметр импульсного периодического сигнала, равный отношению периода повторения импульсов к длительности одиночного импульса.

Максимальная скважность последовательности выходных импульсов

q_Mах. = T/t_П = (β_Mин./3)+1. * q = (T/t_И) (7.10)

0сновные этапы расчета

1. Выбирают транзистор исходя из условий быстродействия и до­пустимого напряжения на коллекторе. Для обеспечения малых длитель­ностей фронтов выходного импульса необходимо, чтобы выполнялось условие:

2. f_α ≥ (3÷10)(1/t_И) (f_α – граничная частота транзистора) (7.11)

Напряжение источника питания и токи должны быть меньше допустимых:

E_К ≤ U_К.Доп. (7.12) I_КН ≤ I_К.Доп.. (7.13)

2) Выбирая величину R_К определяют ток I_КН и проводят проверку условия (7.13).

3) Проводят расчет базовых сопротивлений R₁ и R₂ согласно (7.9).

4) Проводят расчет емкостей С₁ и С₂.

Для несимметричного мультивибратора выбирают условие: С₁ ≠ С₂ и R₁ ≠ R₂.

* Дополнение. Если вместо конденсаторов С₁ и С₂ в схему поставить перемычки, соединив сопротивления R_К с базами транзисторов, то схема превратится в триггер с 2-я устойчивыми состояниями. При этом на выходе Q₁ триггера может равновероятно установиться либо лог. “0” либо лог. “1”, и при этом на выходе Q₂ будет его инверсия. Если в цепь базы транзисторов установить диоды, по появится возможность принудительного управления состоянием триггера. Для этого достаточно заземлять диод на короткое время. При многократном воздействии на один вход схема будет оставаться в устойчивом состоянии.