6.3 Мультивибратор

Практически ни одно сколько – ни будь сложное устройство не обходится без тактового генератора, задающего режим работы этого устройства. В основе задающих генераторов широко применяются генераторы прямоугольных импульсов, которые относятся к числу релаксационных.

Колебания, в которых медленные изменения чередуются со скачкообразными, называются релаксационными. В релаксационных генераторах в течение одной части периода энергия запасается в реактивном элементе (обычно конденсаторе), а в другую часть периода выделяется в виде тепла в резисторах схемы. Усилительный элемент генератора работает в данном случае в ключевом режиме, переключая конденсатор с зарядки на разрядку.

Примером таких релаксационных генераторов являются мультивибраторы, которые могут работать в автоколебательном и ждущем режимах, а также в режиме синхронизации и деления частоты.

Мультивибратор в автоколебательном режиме генерирует колебания непрерывно. Период генерируемых колебаний определяется времязадающими элементами мультивибратора. У автоколебательного мультивибратора нет устойчивого состояния. Интервал между моментами переключения называется квазиустойчивым, т. е. как бы устойчивым. У ждущего мультивибратора есть одно устойчивое состояние. Под действием запускающего импульса ждущий мультивибратор переходит в квазиустойчивое состояние, генерирует один выходной импульс с длительностью, соответствующей своей времязадающей цепочке и возвращается в прежнее состояние.

Схема мультивибратора на биполярных транзисторах и соответствующие временные диаграммы ее работы приведены на рис.6.2 и 6.3

.

Рис.61 Схема мультивибратора на биполярных транзисторах

.

Устройство представляет собой двухкаскадный усилитель с положительной обратной связью. Схема симметричная, т.е. VT1 и VT2 – транзисторы одного типа; С1=С2; R_к1=R_к2; R_б1=R_б2 .Пусть в момент времени t=t₀ транзистор VT1закрылся, транзистор VT2 открылся. Это первое состояние квазиравновесия, т.е. первый полупериод колебаний. С этого момента начинается перезаряд конденсаторов. Конденсатор С1 заряжается по цепи: Е_к – R_к1 – С1 – VT2 , а конденсатор С2 разряжается по цепи: Е_к – R_б2 – С2 – VT2, по мере убыли разрядного тока, протекающего через R_б2, убывает напряжение U_б1 на базе VT!. В момент, когда U_б1 достигает нулевого уровня, отпирается VT!. Рост коллекторного тока VT! за счет падения напряжения на R_к1 приводит к увеличению напряжения на коллекторе VT1 (минус уменьшается), которое передается непосредственно на базу VT2, что приводит к выходу VT2 из насыщенного состояния и восстановлению положительной обратной связи. Увеличение коллекторного тока VT2 за счет падения напряжения на R_к2 приводит к увеличению отрицательного напряжения на коллекторе VT2. Этот отрицательный перепад передается на базу VT1, еще более открывая его. В результате развивается лавинообразный процесс, завершающийся запиранием VT2 и открытием VT1 и переходом схемы во второе состояние квазиравновесия.

Начинается новый перезаряд конденсаторов. Теперь конденсатор С2 заряжается по цепи: Е_к – R_к2 – С2 – VT1, а конденсатор С1 разряжается по цепи: Е_к – R_б1 – С1 – VT1. Второй полупериод колебаний завершается в момент достижения U_б2 нулевого уровня; в этот момент отпирается VT2 и происходит обратное опрокидывание в первое состояние квазиравновесия.

Рис. 6.3. Временные диаграммы мультивибратора

Следует заметить, что заряд конденсатора С1 в первом полупериоде проходил с постоянной времени , заряд конденсатора С2 во втором полупериоде проходил с постоянной времени . Спустя промежуток времени заряд конденсаторов заканчивался и напряжение на коллекторе становилось равным Е_к .Так как величины R_k и С достаточно большие, то и t достаточно велико.

Этим и объясняется , что один из фронтов импульса непрямоугольный, что является недостатком схемы. Для улучшения формы импульсов в схему включают отсекающие диоды (на схеме не показаны).

Параметры выходного сигнала:

а) амплитуда импульса

,

Где - ток коллектора закрытого транзистора;

б) длительность импульса

в) длительность паузы

;

г) период повторения импульсов

;

д) скважность

.

Для симметричного мультивибратора , поэтому частота импульсов

.

Построение симметричного автоколебательного мультивибратора на цифровых интегральных микросхемах аналогично устройству подобных приборов на дискретных элементах, с той лишь разницей, что усилительный каскад на транзисторе заменяется логическим элементом «И – НЕ», либо «ИЛИ – НЕ».

Частоту колебаний мультивибратора можно регулировать не только изменением R_б и С, изменяя время задающих цепей, но и чисто электрическим путем, подавая разное по величине управляющее напряжение на вход транзисторов. Чем больше (по абсолютной величине) управляющее напряжение, тем быстрее при зарядке конденсаторов напряжение на входе транзистора с логическим “0” на выходе, уменьшается до порога переключения и, следовательно, тем больше частота колебаний.