МУЛЬТИВИБРАТОРЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ

Мультивибратор (от латинского много колеблю) – нелинейное устройство, преобразующее постоянное напряжение питания в энергию импульсов почти прямоугольной формы. В основе мультивибратора лежит усилитель с положительной обратной связью.

Различают мультивибраторы автоколебательные и ждущие. Рассмотрим первый тип.

На рис.1 приведена обобщенная схема усилителя с обратными связями.

m _ U_вых + b

Рис.1

Схема содержит усилитель с комплексным коэффициентом усиления к=Ке^-ijк, цепь ООС с коэффициентом передачи m, и цепь ПОС с комплексным коэффициентом передачи В=bе^-ijb. Из теории генераторов известно, что для возникновения колебаний на какой-либо частоте необходимо что бы на ней выполнялось условие Вк>1. Импульсный периодический сигнал содержит совокупность частот, образующих линейчатый спектр (см.1-ю лекцию). Т.о. для генерации импульсов необходимо выполнения условия Вк>1не на одной частоте, а в широкой полосе частот. Причем, чем более короткий импульс и с более короткими фронтами сигнал требуется получить, для более широкой полосы частот требуется выполнения условия Вк>1. Приведенное условие распадается на два:

1. условие баланса амплитуд - модуль общего коэффициента передачи генератора должен превышать 1 в широком диапазоне частот - Кb>1;

2. условие баланса фаз - суммарный сдвиг фаз колебаний в замкнутом контуре генератора в том же диапазоне частот должен быть кратен 2p - j_{к +}j_b =2pn.

Качественно процесс скачкообразного роста напряжения происходит следующим образом. Пусть в некоторый момент времени в результате флюктуаций напряжение на входе генератора возросло на малую величину Du. В результате выполнения обоих условий генерации на выходе устройства появится приращение напряжения: Du_вых=ВкDu_вх >Du_вх, которое передается на вход в фазе с исходным Du_вх. Соответственно это увеличение приведет к дальнейшему возрастанию выходного напряжения. Происходит лавинообразный процесс роста напряжения в широком диапазоне частот.

Задача построения практической схемы генератора импульсов сводится к подаче на вход широкополосного усилителя части выходного сигнала с разностью фаз Dj=2p. Поскольку один резистивный усилитель сдвигает фазу входного напряжения на 180⁰, то применяя два последовательно соединенных усилителя, можно удовлетворить условию баланса фаз. Условие баланса амплитуд будет выглядеть в этом случае следующим образом:

Кb=К1К2,

Одна из возможных схем, реализующий указанный метод, приведена на рис.2. Это схема автоколебательного мультивибратора с коллекторно-базовыми связями. В схеме используются два усилительных каскада. Выход одного усилителя связан со входом второго конденсатором С1, а

выход последнего связан со входом первого – конденсатором С2.

_О Е_п

R_б2 R_б1

R_к1 С1 С2 R_к2

+ - - +

VT1 VT2

U_вых1 U_вых2

U_бэ1 U_бэ2

Рис.2

U_вых1 U_кэ1н

Е_п

t

U_бэ1

U_бэ1и

U_бэ1н t

U_п

U_вых2

U_п t

U_бэ2

t

t₁ t₂ t₃ t₄ t₅ Рис.3

Качественно работу мультивибратора рассмотрим с использованием временных диаграмм напряжений (эпюр), приведенных на рис.3

Пусть в момент времени t=t₁ происходит переключение мультивибратора. Транзистор VT1 попадает в режим насыщения, а VT2 – в режим отсечки. С этого момента начинаются процессы перезарядки конденсаторов С1 и С2. До момента t₁ конденсатор С2 был полностью разряжен, а С1 заряжен до напряжения питания Е_п (полярность заряженных конденсаторов указана на рис.2). После отпирания VT1 начинается его зарядка от источника Е_п через резистор R_к2 и базу отпертого транзистора VT1. Конденсатор заряжается практически до напряжения питания Е_п с постоянной заряда

t_зар2 = С2R_к2

Поскольку С2 через открытый VT1 подсоединен параллельно VT2, то скорость его зарядки определяет скорость изменения выходного напряжения U_вых2.. Полагая процесс зарядки законченным когда U_вых2 = 0,9U_п, легко получить длительность

t2-t1= С2R_к2ln10»2,3С2R_к2

Одновременно зарядке С2 (начиная с момента t1) происходит перезарядка конденсатора С1. Его отрицательное напряжение, приложенное к базе VT2, поддерживает запертое состояние этого транзистора. Конденсатор С1 перезаряжается по цепи: Е_п, резистор R_б2, С1, Э-К открытого транзистора VT1. корпус с постоянной времени

t_разр1 = С1R_б2

Так как R_б >>R_к, то и t_зар<<t_разр. Следовательно, С2 успевает зарядиться до Е_п пока VT2 еще закрыт. Процесс перезарядки С1 заканчивается в момент времени t₅, когда U_C1=0 и начинает открываться VT2 (для простоты считаем, что VT2 открывается при U_бє=0). Можно показать, что длительность перезаряда С1 равна:

t3-t1 = 0,7C1R_б2

В момент времени t3 появляется коллекторный ток VT2, падает напряжение U_кэ2, что приводит к призакрыванию VT1 и, соответственно, к росту U_кэ1. Это приращение напряжение через С1 передается в базу VT2, что влечет дополнительное открытие VT2. Транзисторы переходят в активный режим, возникает лавинообразный процесс, в результате которого мультивибратор переходит в другое квазистационарное состояние: VT1 закрыт, VT2 – открыт. Длительность опрокидывания мультивибратора намного меньше всех других переходных процессов и ее можно считать равным нулю.

С момента t3 процессы в мультивибраторе пойдут аналогично описанному, следует лишь поменять местами индексы у элементов схемы.

Таким образом, длительность фронта импульса определяется процессами заряда конденсатора связи и численно равна:

t_ф = 2,3CR_к

Длительность нахождения мультивибратора в квазиустойчивом состоянии (длительность импульса и паузы) определяется процессом разряда конденсатора связи через базовый резистор и численно равна:

t_и = 0,7CR_б

При симметричной схеме мультивибратора (R_к1 =R_к2 =R_к, R_б1 =R_б2 =R_б , С1=С2=С) длительность импульса равна длительности паузы, и период следования импульсов равен:

Т = t_и + t_п =1,4CR_б

Сравнивая длительности импульса и фронта необходимо учесть, что R_б/R_к=h_21э/s (h_21э для современных транзисторов»100, а s»2). Следовательно, длительность фронта всегда меньше длительности импульса.

Частота выходного напряжения симметричного мультивибратора не зависит от напряжения питания и определяется только параметрами схемы:

F» 0,715/ CR_б

Для изменения длительности импульсов и периода их следования нужно варьировать величины R_б и С. Но возможности здесь невелики: пределы изменения R_б ограничены сбольшей стороны необходимостью сохранения открытого транзистора, с меньшей стороны – неглубокого насыщения. Изменять плавно величину С затруднительно даже в малых пределах.

Чтобы найти выход из затруднения обратимся к периоду времени t3-t1 на рис.2. Из рисунка видно, что указанный интервал времени, а, следовательно, и длительность импульса можно регулировать изменяя наклон прямой разряда конденсатора. Этого можно добиться, подключая базовые резисторы не к источнику питания, а к дополнительному источнику напряжения Е_см (см.рис.4). Тогда конденсатор стремится перезарядиться не к Е_п, а к Е_см и крутизна экспоненты будет изменяться с изменением Е_см.

Е_п

R_к1 С1 С2 R_к2

R_б1 R_б2

+ о Е_см

_ о Рис.4

Импульсы, генерируемые рассмотренными схемами, имеют большую длительность фронта. В ряде случаев эта величина становится неприемлемой. Для укорачивания t_ф в схему вводят отсекающие конденсаторы, как показано на рис.5. Конденсатор С2 заряжается в этой схеме не через R_з, а через R_д. Диод VD2, оставаясь закрытым, «отсекает» напряжение на С2 от выхода и напряжение на коллекторе возрастает практически одновременно с закрытием транзистора.

R_к1 R_з1 R_б1 R_б2 R_з2 R_к2

VD1 C1 C2 VD2 U_вых

VT1 VT2

Рис.5

В мультивибраторах в качестве активного элемента можно использовать операционный усилитель. Автоколебательный мультивибратор на ОУ изображен на рис.6.

U_c t = RC

R E_п

U₊₁

t

о _*

C U_вых U₊₂

U_- - E_п ^{t0 t1 t2}

U_вых

R1 E_п

R2

U₊

t

Рис.6 - E_п

ОУ охвачен двумя цепями ОС: положительной К=R2/(R1+R2) и отрицательной b = Х_с/(Х_с+R) = 1/(1+wRC).

Пусть генератор был включен в момент t₀. На инвертирующем входе напряжение равно нулю, на неинвертирующем – равновероятно положительное или отрицательное. Для определенности возьмем положительное. За счет ПОС на выходе установится максимально возможное напряжение – U_{вых m}. Время установления этого выходного напряжения определяется частотными свойствами ОУ и можно положить его равным нулю. Начиная с момента t₀ конденсатор С будет заряжаться с постоянной времени t=RC. До момента времени t₁ U_д = U₊ - U_- >0, и на выходе ОУ удерживается положительное U_выхm. При t=t₁, когда U_д = U₊ - U_- = 0 выходное напряжение усилителя изменит свою полярность на – U_{вых m}. После момента t₁ емкость С перезаряжается, стремясь к уровню – U_{вых m}. До момента t₂ U_д = U₊ - U_- < 0, что обеспечивает квазиравновесное состояние системы, но уже с отрицательным выходным напряжением. Т.о. изменение знака U_вых происходит в моменты уравнивания входных напряжений на двух входах ОУ. Длительность квазиравновесного состояния системы определяется постоянной времени t=RC, и период следования импульсов будет равен:

Т=2RCln(1+2R₂/R₁).

Мультивибратор, приведенный на рис.6 называется симметричным, т.к. времена положительного и отрицательного выходных напряжений равны.

Для получения несимметричного мультивибратора следует резистор в ООС заменить на схему, как показано на рис.7

Разная длительность положительного и отрицательного импульсов обеспечена разными постоянными времени перезаряда емкостей:

t⁺ = R’C, t^- = R”C.

R’ VD1

R” VD2

C

U_вых

R1

R2

Рис.7.

Мультивибратор на ОУ легко превратить в одновибратор или ждущий мультивибратор. Во-первых, в цепи ООС параллельно С подсоединим диод VD1, как показано на рис.8. Благодаря диоду схема имеет одно устойчивое состояние, когда напряжение на выходе отрицательно. Действительно, т.к. U_вых = - U_{вых m}, то диод открыт и напряжение на инвертирующем входе примерно равно нулю. В то время как напряжение на неинвертирующем входе равно U₊ =- U_{вых m} R2/(R1+R2). D= U₊ - U_- <0 и сохраняется устойчивое состояние схемы. Для генерации одного импульса в схему следует добавить цепь запуска, состоящую из диодаVD2, С₁ и R3. Диод VD2 поддерживается в закрытом состоянии и может открыться только положительным входным импульсом, пришедшим на вход в момент времени t₀. С открытием диода меняется знак D и схема переходит в состояние с положительным напряжением на выходе. U_вых = U_{вых m}. После этого конденсатор С1 начинает заряжаться с постоянной времени t=RC. В момент времени t₁ напряжения на входя сравниваются. U_- = U₊ = U_{вых m} R2/(R1+R2) и D=0. В следующий момент дифференциальный сигнал D становится отрицательным и схема возвращается в устойчивое состояние. Эпюры приведены на рис.9.

Применяются схемы ждущих мультивибраторов на дискретных и логических элементах.

R ₀ VD1 C U_вых

U_вх

C₁

VD2 R1

R3 R2

-E_см

Рис.8

U_вх

t

U_инв

U₊

t

U_неинв

U₊

t

- U₊

U_вых

U_{вых m}

t

-U_{вых m} Рис.9

Пример. Рассчитать автоколебательный мультивибратор со следующим параметрами: U_ампвых = 12 В; R_н=2,4кW; T = 10^-3 c; t_и = 3*10^-4 с.

Схема рассматриваемого мультивибратора аналогична рассмотренной ранее.

1. Выбираем напряжение питания из ряда 6,9,12,15,18,25 по формуле Е_п= U_ампвых +(1…3В) = 12+3=15В

2. Выбираем тип транзисторов из следующих условий:

U_кэ> Е_п =15В; f_в > 10 / t_и = 33кГц.

Перечисленным условиям удовлетворяет npn-транзистор КТ3102А (BC109C).

b = 200; U_п = 20 В; I_{k max} = 100 mA

3. R_к должен быть много меньше сопротивления нагрузки мультивибратора, но не выходить за пределы 200-3000W. Определим R_к = 0,1*R_н =2400/10=240W. Проверяем не превышает ли ток через транзистор его I_{k max.} I_k =15/ 240 = 63 mA<100mA, а мощность Р_к = 63*15=95< Р_кmax = 100mВт. В противном случае следует несколько увеличить R_к или взять более мощный транзистор.

4. Сопротивление Rб найдем из условия обеспечения коэффициента насы­щения q =2

Rб = Rк*b/q = 240*200/2 = 24кW

5. Емкости конденсаторов С1и С2 определим из условия получения задан- ных длительностей импульса и паузы выходного напряжения.

С1 = t_и/0,7Rб = 3*10^-4 /0,7*36000 = 1,2*10^-8Ф =0,12мкФ

C2 = (T-t_и)/0,7Rб = 7*10^-4 /0,7*36000 = 2,8*10^-8Ф, выбираем 0,33мкФ.

6. Длительности фронтов выходных импульсов равны:

t_ф1 = 2,3R_kC1 = 2,3,*240*1,2*10^-8 =6,6*10^-6 c;

t _ф2= 2,3R_kC2 = 2,3,*330*1,2*10^-8 =90*10^-6 c;

7. Большая длительность фронта импульса должна быть меньше длительности импульса или длительности паузы (фронт короче импульса). Проверим: t_ф2 = 0,9*10^-4 c < t_и = 3*10^-4 с.

Поиск по сайту: