Лекция 12 Мультивибраторы

Мультивибраторы применяются для генерирования прямоугольных импульсов в тех случаях, когда нет жестких требований к их длительности и частоте повторения.

Схема простейшего автоколебательного мультивибратора на транзисторах приведена на рис. 1, а. Он представляет собой двухкаскадный усилитель с положительной ОС, замкнутый в кольцевую схему: выход первого усилителя соединен со входом второго, а выход второго — со входом первого. Если R_к1=R_к2; R_б1=R_б2, С1=С2, то мультивибратор называют симметричным.

При подключении источника питания токи проходят через оба транзистора VT1 и VT2. Одновременно начинается зарядка конденсаторов С1 и С2. Напряжения на конденсаторах иС1 и иС2 нарастают по экспоненциальному закону.

Рис. 1. Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми связями (а) и графики напряжений на электродах транзисторов (б)

По мере увеличения коллекторных токов транзисторов повышаются и коэффициенты усиления плеч (т. е. первого и второго усилительных каскадов) мультивибратора.

Пока К<1 ( — коэффициент передачи цепи положительной ОС; К — коэффициент усиления), происходит увеличение коллекторных токов обоих транзисторов и увеличение напряжений иС1 и иС2. Мультивибратор работает как двухкаскадный усилитель с положительной ОС.

Вследствие даже незначительной асимметрии плеч мультивибратора, вызванной разбросом параметров транзисторов, резисторов и конденсаторов, коллекторный ток одного транзистора окажется больше по сравнению с коллекторным током другого транзистора. ПриК>1 это приведет к возникновению регенеративного процесса. Действительно, пусть коллекторный ток I_к1 транзистора VT1 будет больше коллекторного тока I_к2 транзистора VT2. Это вызовет уменьшение коллекторного напряжения транзистора VT1, которое передается через конденсатор С1 на базу транзистора VT2 и приводит к уменьшению коллекторного тока I_к2 этого транзистора. Уменьшение тока сопровождается увеличением коллекторного напряжения транзистора VT2, которое через конденсатор С2 передается на базу транзистора VT1 и приводит к еще большему увеличению коллекторного тока I_к1, уменьшению коллекторного напряжения транзистора VT1 и т. д.

Процесс увеличения коллекторного тока I_к1 и уменьшения коллекторного тока I_к2 вследствие действия положительной ОС носит лавинообразный характер и заканчивается переходом транзистора VT1 в режим насыщения, а транзистора VT2 — в режим отсечки.

При открытом и насыщенном транзисторе VT1 конденсатор С1 оказывается подключенным через малое сопротивление r_кэ1 между базой и эмиттером транзистора VT2. При этом отрицательное напряжение U_бэ2 поддерживает транзистор VT2 в закрытом состоянии. В таком состоянии, которое называется временно устойчивым или квазиравновесным, мультивибратор будет находиться в течение времени, определяемого перезарядкой конденсатора С1 по цепи:+Е_п-R_б2-С1-коллектор — эмиттер VT1- -E_п В это же время происходит зарядка конденсатора С2 по цепи:+Е_п-R_к2-С2-база — эмиттер VT1- -Е_п.

Обычно элементы R_к и R_б выбирают так, чтобы процесс зарядки конденсатора протекал быстрее, чем процесс их перезарядки. Поэтому конденсатор С2 успеет зарядиться до значения коллекторного напряжения закрытого транзистора VT2, которое примерно равно +Е_п

После окончания зарядки С2 транзистор VT1 будет удерживаться в режиме насыщения за счет протекания тока базы I_б1 = I_{б нас} =Е_п/R_б1.

По мере перезарядки конденсатора С1 напряжение увеличивается и в некоторый момент достигает нулевого значения. С этого момента транзистор VT2 начнет открываться, его коллекторное напряжение u_кэ2 уменьшается и в мультивибраторе замыкается цепь ПОС, вызывающая лавинообразный процесс изменений токов и напряжений.Этот процесс заканчивается запиранием транзистора VT1 и переходом в режим насыщения транзистора VT2.

Мультивибратор переходит во второе квазиустойчивое состояние равновесия, в котором начинается зарядка конденсатора С1 по цепи: +Е_п-R_к1-С2-база-эмиттер VT2- -Е_п, и перезарядка конденсатора С2 по цепи: +Е_п-R_б1-С2-коллектор — эмиттер VT2- -Е_п.

Гранзистор VT1 будет поддерживаться в закрытом состоянии напряжением u_c2 которое подключается через малое сопротивление r_кэ2 между его базой и эмиттером минусом к базе. Такое квазиустойчивое состояние будет сохраняться до тех пор, пока напряжение u_c2 не достигнет нулевого значения. С этого момента начнет развиваться новый лавинообразный процесс изменений токов и напряжений, который приведет к отпиранию транзистора VT1 и запиранию VT2.

Графики изменений коллекторных и базовых напряжений мультивибратора показаны на рис. 1, б.

Время закрытого состояния транзистора VT1 или длительность положительного импульса, снимаемого с выхода 1, определяется перезарядкой конденсатора С2 и рассчитывается по приближенной формуле: t_н1C2R_б1ln20,7C2R_б1.

Аналогично t_н2C1R_б2ln20,7C1R_б2.

Период повторения Т=t_н1+t_н2=0,7(С1R_б2+С2R_б1).

В симметричном мультивибраторе при C1=C2=C и R_б1 = R_б2 = R_б,

t_н1=t_н2=0,7СR_б; Т1,4СR_б.

Мультивибратор, схема которого показана на рис. 1, а, называют мультивибратором с коллекторно-базовыми связями и положительной базой. Если резисторы R_б1 и R_б2 включить между базами транзисторов и отрицательным полюсом источника , то получится мультивибратор с коллекторно-базовыми связями и нулевой базой. Он обладает меньшей стабильностью длительности и периода повторения импульсов.

На рис. 2, а приведена схема мультивибратора на операционном усилителе (ОУ). Рассмотрим его работу.

Рис. 2 Схема мультивибратора на ОУ (а) и графики изменений напряжения на конденсаторе и выходе мультивибратора (б)

В момент подключения мультивибратора к источникам питания а состояние ОУ является неопределенным. Предположим, что в этот момент u_вых = u_{вых max}.

Следовательно, на неинвертирующем входе ОУ действует положительное напряжение u(-)_{вх max} = u_{вых max} R1/(R1+R2), , а конденсатор С заряжается через резистор R3.

При увеличении напряжения на конденсаторе до значения, близкого к u(+)_{вых max} ОУ выходит из режима насыщения, вступает в действие положительная ОС и начинается

лавинообразный процесс переключения (опрокидывания), в результате которого на выходе ОУ устанавливается минимальный нижний уровень напряжения u_вых = u_{вых min}

и напряжение на неинвертирующем входе принимает значение u(+)_{вх min} = u_{вых min} R1/(R1+R2). Конденсатор С начинает перезаряжаться через резистор R3.

При уменьшении напряжения и_с до значения, близкого к u(+)_{вх min} происходит обратное опрокидывание и т. д.

Графики выходного напряжения и напряжения на конденсаторе, иллюстрирующие работу мультивибратора, показаны на рис. 2, б.

Одновибраторы

Одновибраторы используются для получения прямоугольных импульсов напряжения большой длительности (от десятков микросекунд до сотен миллисекунд), в качестве устройств задержки, делителей частоты и для других целей.

Одновибратор обладает одним устойчивым состоянием, в котором может находиться сколь угодно долго, пока к нему не будет приложено внешнее напряжение, переводящее его в квазиустойчивое состояние. Переход из квазиустойчивого состояния в устойчивое осуществляется в одновибраторе самостоятельно.

Одновибраторы на дискретных элементах

Одновибратор можно получить из автоколебательного мультивибратора, если одно из его квазиустойчивых состояний превратить в устойчивое. На рис. 3, а показана схема одновибратора с коллекторно-базовыми связями, а на рис. 3, б временные диаграммы напряжений, поясняющие его работу.

Резисторы Rl, R2 и R_к2 выбираются такими, что напряжение между базой и эмиттером транзистора VT1 оказывается отрицательным. Поэтому в исходном состоянии этот транзистор закрыт. На базу транзистора VT2 через резистор R_б подается положительное напряжение.

Транзистор VT2 вследствие этого открыт и насыщен.

Рис. 3. Схема одновибратора на БТ с коллекторно-базовыми связями (а) и графики напряжений на электродах транзисторов (б)

Входной отрицательный импульс через разделительную цепь СpRp и отсекающий диод VD1 подается на базу транзистора VT2. Ввиду накопленных в базе зарядов неосновных носителей транзистор VT2 не может сразу закрыться, и начинается процесс рассасывания неосновных носителей. Через время t_рас транзистор VT2 окажется на границе режима насыщения и под действием отрицательного входного импульса, приложенного к базе VT2, коллекторный ток транзистора VT2 начнет уменьшаться, а коллекторное напряжение u_кэ2 — увеличиваться. Увеличение напряжения u_кэ2 через делитель R2R1 передается на базу транзистора VT1. Чтобы увеличить коэффициент передачи делителя, не нарушая исходного состояния, резистор R2 можно шунтировать конденсатором Су небольшой емкости, который называется ускоряющим.

Под действием ПОС, приводящей к лавинообразному процессу изменений токов и напряжений транзисторов транзистор VT2 запирается, а транзистор VТ1 отпирается и переходит в режим насыщения. Наступает квазиустойчивое состояние равновесия.

После отпирания транзистора VT1 конденсатор С оказывается включенным между базой и эмиттером транзистора VT2, причем u_бэ2=-u_с. Начинается перезарядка конденсатора С по цепи: +Е_п-R_б-С-VT1- -Е_п.

Перезарядка сопровождается уменьшением отрицательного напряжения на конденсаторе и на базе транзистора VT2. Как только напряжение на конденсаторе достигнет нулевого уровня, рабочая точка, характеризующая режим транзистора VT2, окажется на границе с активной областью. При дальнейшем увеличении напряжения и_с рабочая точка перейдет в активную область и замкнется цепь положительной ОС.

Транзистор VT1 закроется; a VT2 откроется и будет находиться в режиме насыщения. Начнется зарядка конденсатора С по цепи: +Е_п-R_к1-С-VT1- -Е_п. После зарядки конденсатора С одновибратор будет находиться в устойчивом состоянии до прихода следующего входного (запускающего) импульса, т. е. в режиме ожидания. Поэтому одновибратор часто называют ждущим мультивибратором.

Длительность формируемого одновибратором импульса определяется постоянной времени цепи перезарядки конденсатора С и может быть приближенно определена по формуле t0,7R_бС.

Одновибраторы на операционных усилителях

Принципиальная схема одновибратора на ОУ (рис. 4, а) отличается от схемы мультивибратора на ОУ (рис. 2, а) наличием диода VD, подключенного параллельно конденсатору С.

Рис. 4.. Схема одновибратора на ОУ (а) и графики напряжений на конденсаторе, входе и выходе одновибратора (б)

При указанном на схеме направлении включения диода в исходном состоянии на выходе устанавливается минимальный (отрицательный) уровень напряжения U_{вых min}

Диод VD, образующий с резистором R3 делитель выходного напряжения, оказывается включенным в прямом направлении, поэтому падение напряжения на нем близко к нулю и u_c=u(-)_вх0. Напряжение на неинвертирующем входе равно u(+)вх = U_{вых min} R1/(R1+R2)

Графики напряжений, поясняющие работу одновибратора, приведены на рис. 4, б.

При поступлении на вход импульса положительной полярности с амплитудой, превышаю щей значение U_{вых min} R1/(R1+R2) напряжение на неинвертирующем входе становится положительным. Под действием u(+)_вх>0 напряжение на выходе также становится положительным и, поступая на неинвертирующий вход через делитель R1R2, лавинообразно нарастает до максимального значения U_{вых max}. Напряжение на неинвертирующем входе принимает значение

u(+)вх = U_{вых max} R1/(R1+R2)

Под действием напряжения U_{вых max} конденсатор С начинает заряжаться через резистор R3. Диод VD включается в обратном направлении и на процесс зарядки влияния не оказывает. Пока напряжение u_c<u(+)_вх При приближении u_c к u(+)_вх ОУ выходит из режима насыщения и приu_c>u(+)_вх под действием положительной ОС, осуществляемой через делитель R1R2, происходит второе «опрокидывание», в результате которого на выходе устанавливается минимальное напряжение U_{вых min}. Конденсатор начинает разряжаться через резистор R3 и R_вых ОУ. При достижении напряжения на конденсаторе нулевого уровня диод открывается и процесс разрядки конденсатора заканчивается.

Таким образом, на выходе одновибратора на ОУ формируется положительный импульс с крутыми фронтами, длительность которого можно рассчитать по формуле tCR3 ln(1+R1/R2).

Если изменить направление включения диода, то изменится полярность выходного импульса. При этом запуск одновибратора должен производиться входными импульсами отрицательной полярности.