Мультивибратор на биполярных транзисторах

Мультивибратор является автогенератором периодической последовательности импульсов, близких по форме к прямоугольным. Название «мультивибратор» в переводе означает «генератор множества колебаний» и отражает основную особенность – генерируемые им колебания имеют сложную форму, образованную суммой множества гармонических колебаний.

Рассмотрим работу мультивибратора в автоколебательном режиме на примере схемы, выполненной на биполярных транзисторах (рис. 6.2а). Он представляет собой двухкаскадный инвертирующий усилитель на резисторах, охваченный ПОС. Выход первого каскада, собранного на транзисторе VT 1 и резисторах , , подключен через емкость к входу второго каскада, собранного на транзисторе VT 2 и резисторах , , а выход второго каскада через емкость подключен к входу первого каскада.

Известно, что инвертирующий усилитель на резисторах обладает коэффициентом усиления . Один из усилителей служит звеном прямой передачи, а второй – звеном обратной связи. Следуя функциональной схеме (рис. 6.2б), петлевое усиление принимает вид

То, что аргумент петлевого усиления , а его модуль значительно больше 1 свидетельствует о том, что в данной схеме действует сильная положительная обратная связь. Так как усилители на резисторах являются широкополосными, то условия самовозбуждения выполняются в широкой полосе частот и в системе возникают колебания сложной формы.

a) б)

Рис. 6.2. Мультивибратор на биполярных транзисторах

а) принципиальная схема;

б) структурная схема

При включении источника питания через оба транзистора потекут коллекторные токи, емкости и будут заряжаться. Однако, состояние схемы, когда оба транзистора открыты, неустойчиво. Даже при постоянном напряжении питания коллекторные токи подвержены некоторому колебанию из-за флуктуации носителей зарядов – электронов и дырок.

Случайное изменение коллекторных токов из-за глубокой ПОС приводит к лавинообразному процессу, ток одного транзистора достигает максимального значения, а ток другого скачком падает до нуля. Состояние схемы, когда один транзистор насыщен, а другой заперт, является временно устойчивым. Промежуток времени, в течение которого схема будет находиться в этом квазиустойчивом состоянии, определяется релаксационным процессом в -цепи, состоящей из емкости и резистора, подключенных к базе запертого транзистора. Когда напряжение на базе запертого транзистора достигнет порогового значения, этот транзистор откроется и из-за глубокой ПОС перейдет в состояние насыщения. При этом другой транзистор перейдет в запертое состояние. Чередование двух различных состояний транзисторов сформирует на их коллекторах периодическую последовательность импульсов.

Более детально работу мультивибратора в автоколебательном режиме поясняют временные диаграммы напряжений, изображенные на рис. 6.3.

В момент времени , который примем за исходный, транзистор VT 1 находится в состоянии насыщения, а транзистор VT 2 заперт. Емкость разряжается по цепи, указанной на рис. 6.4а. Затем она начнет перезаряжаться. В момент времени напряжение на емкости достигнет напряжения отпирания транзистора 0,6 В. Транзистор VT 2 открывается. Увеличение коллекторного тока приводит к уменьшению напряжения на коллекторе VT 2
(). Это уменьшение напряжения передастся через емкость на базу транзистора VT 1, и транзистор VT 1 начнет закрываться. Из-за глубокой ПОС схема лавинообразно перейдет в новое состояние квазиравновесия: транзистор VT 1 заперт, а VT 2 – насыщен. Напряжение на коллекторе VT 1 увеличивается не мгновенно, а по экспоненте, так как параллельно ему подключена емкость , которая заряжается до напряжения по цепи, указанной на рис. 6.4б.

Рис. 6.3. Временные диаграммы напряжений, поясняющие работу мультивибратора

а) б)

Рис. 6.4. Времязадающая цепь

а) цепь разряда емкости ,

б) цепь заряда емкости

Время заряда емкости через резистор определяет длительность фронта импульса . За счет протекания большого начального тока заряда емкости через конечное сопротивление перехода база – эмиттер транзистора VT 2 наблюдается всплеск напряжения . На интервале времени ввиду малого сопротивления транзистора VT 2 в состоянии насыщения положительно заряженная обкладка емкости оказывается замкнутой практически на корпус. Поэтому отрицательное напряжение емкости приложено к базе транзистора VT 1 и поддерживает его в закрытом состоянии.

В момент времени отрицательное напряжение - на емкости является начальным при формировании положительного импульса напряжения (). Начиная с , емкость начнет разряжаться по цепи – источник напряжения, резистор . После разряда емкость начнет перезаряжаться. И если бы она не была подключена к базе транзистора VT 1, то в установившемся режиме зарядилась бы до напряжения (). Однако, перезарядившись до напряжения , в момент времени транзистор VT 1 открывается и за счет глубокой ПОС лавинообразно схема переходит в состояние квазиравновесия: VT 1 – насыщен, а VT 2 – заперт. На интервале времени подобным же образом формируется импульс напряжения на транзисторе VT 2. Таким образом, чередование двух квазиустойчивых состояний порождает автоколебательный процесс, в результате которого мультивибратором формируется периодическая последовательность импульсов, близких к прямоугольной форме. Как следует из (6.5), длительность импульсов определяется как

, =1, 2, (6.6)

поскольку » 10 В, а = 0,6 В» 0 В.

Период следования импульсов равен .

Кроме автоколебательного режима мультивибраторы могут работать также в режиме синхронизации и ждущем режиме.

В режиме синхронизации мультивибратор работает как автогенератор, но на него воздействует извне еще специальное синхронизирующее напряжение, частота которого определяет частоту генерируемых им колебаний.

В ждущем режиме мультивибратор имеет одно состояние устойчивого равновесия. Для этого в автоколебательной схеме одно из квазиустойчивых состояний превращают в устойчивое состояние путем замены одного из конденсаторов гальванической связью. При подаче пускового импульса схема переходит в состояние временно устойчивого равновесия (квазиравновесия). В состоянии квазиравновесия в схеме протекают релаксационные процессы, связанные с зарядом (разрядом) емкости в цепи междукаскадной связи. Эти процессы в итоге приводят к возвращению схемы в исходное состояние устойчивого равновесия.

Мультивибраторы применяются в импульсной технике в качестве задающих генераторов прямоугольных импульсов, расширителей импульсов, делителей частоты, в качестве пусковых и переключающих устройств.

Дата добавления: 2014-11-16