Схема мультивибратора с блокировкой коллекторных потенциалов

Недостатком предыдущей схемы является большая длительность фронтов выходных импульсов. Это объясняется тем, что ёмкость времязадающей цепи заряжается током, замыкающимся через сравнительно большое коллекторное сопротивление. От этого недостатка свободен мультивибратор с отключающими диодами (или с блокировкой коллекторных потенциалов) (рис 2а). Временные диаграммы мультивибратора с блокировкой коллекторных потенциалов представлены на рис.2б. Отличие этого мультивибратора от простейшего состоит в том , что заряд времязадающих конденсаторов С после закрытия соответствующего транзистора осуществляется не через коллекторные резисторы, а через добавочные зарядные резисторы R_З. После закрытия транзистора, например VT1, его потенциал скачком изменяется до – Е_К, при этом блокирующий диод VD1 закрывается и отделяет цепь заряда ёмкости С₂ от коллектора. Сопротивление зарядных резисторов обычно выбирают примерно равными сопротивлением коллекторных резисторов R_З = R_К.

Конденсаторы разряжаются по той же цепи, что и у мультивибратора с коллекторно-базовыми связями, т.к. в это время соответствующий диод открыт, его сопротивление мало и практически не влияет на длительность выходных импульсов. Рассмотренная схема мультивибратора, обладая прямоугольными выходными напряжениями, имеет два недостатка: максимальная скважность при несимметричной схеме примерно вдвое меньше максимальной скважности мультивибратора с коллекторно-базовыми связями; коллекторный ток открытого транзистора I_КН = Е_К/(R_R + R_З)вдвое больше, чем у первой схемы. Таким образом, схема с отключающими диодами потребляет примерно вдвое большую мощность от источника питания. Период повторения импульсов определяется формулой (3)

СХЕМА МУЛЬТИВИБРАТОРА С ФИКСАЦИЕЙ КОЛЛЕКТОРНЫХ

ПОТЕНЦИАЛОВ

Схема мультивибратора с фиксацией коллекторных потенциалов и временные диаграммы представлены на рис.3а, 3б. Эта схема пригодна для работы со значительной скважностью выходных напряжений (примерно 30-50). Заряд времязадающих конденсаторов С₁ или С₂ после закрытия соответствующего транзистора осуществляется до напряжения фиксации Е_Ф меньшего чем напряжение питания Е_K. Когда напряжение на коллекторе закрытого транзистора достигает уровня Е_Ф открывается фиксирующий диод VD_Ф и заряд конденсатора прекращается. Так как Е_Ф<Е_K , то и время восстановления меньше. Обычно Е_Ф = 0,5 Е_K. При этом время восстановления (4), а период .Условия насыщения 1 и 2 для простого мультивибратора справедливы и в этой схеме:

R₁=R_K2 β. R₂=R_K1 β.

Мультивибратор с фиксацией коллекторных потенциалов имеет малое время восстановления по сравнению с другими рассмотренными мультивибраторами, но в тоже время сложнее их, особенно по сравнению с простейшим мультивибратором. По сравнению с мультивибратором на отключающих диодах он имеет худшую форму выходных напряжений.

В реальной схеме, чтобы ограничиться одним источником питания, напряжение фиксации задают с помощью стабилитрона.

Порядок выполнения работы.

Задание 1.

1. Изучить схему мультивибраторов, представленную на рис.4 и собранных на стенде.

2. Подключить к исследуемым схемам мультивибраторов стабилизатор напряжения.

3. Рассчитать для исследуемых схем периоды выходных напряжении, их частоты и записать полученные значения.

4. Измерить с помощью осциллографа, пользуясь калиброванной разверткой, периоды напряжений исследуемых схем и сравнить их с расчетными данными.

5. Рассчитать время восстановления для каждой схемы и сравнить со значениями, полученными экспериментально.

Примечание: Для определения времени восстановления схемы мультивибратора с блокировкой коллекторных потенциалов подайте сигнал на осциллограф с точки “а” (см. рис.2а).

6. Считая, что β=15, рассчитать нормальные значения сопротивления базовых резисторов во всех схемах.

7. Нарисовать осциллограммы выходных напряжений для каждого мультивибратора, определить по ним время восстановления и период повторения импульсов.

ТРИГГЕРЫ

Триггер – бистабильная ячейка. Триггером называется устройство с двумя устойчивыми состояниями, переходящее от одного состояния в другое под воздействием внешних напряжений. Триггер способен сохранять сколь угодно долго устойчивое состояние, и после снятия внешнего воздействия, поэтому он используется в качестве элемента памяти.

Простейший триггер (рис.5) – бистабильная ячейка – является двухкаскадным усилителем с непосредственной связью между каскадами, в котором осуществлена положительная обратная связь благодаря соединению выхода усилителя с его входом. При одинаковых транзисторах и сопротивлениях R_K состояние схемы, когда оба транзистора открыты, является неустойчивым. Малейшее повышение коллекторного тока одного из транзисторов, например VT1, вызывает уменьшение его коллекторного напряжения. Уменьшение напряжения передаётся на базу другого транзистора, уменьшает его коллекторный ток и повышает его коллекторное напряжение.

Рис.5

В результате напряжение на базе VT1 увеличивается и коллекторный ток VT1 станет еще большим. Этот процесс происходит лавинообразно и приводит к тому, что транзистор VT1 становится полностью открытым и входит в режим насыщения. Другой транзистор при этом запирается, так как напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT1, являющееся напряжением база – эмиттер транзистора VT2, очень мало (0-0,3В) и недостаточно для его отпирания. Перевод бистабильной ячейки из одного устойчивого состояния в другое осуществляется подачей положительных или отрицательных импульсов на коллекторы, а, следовательно и на базы транзисторов, т.к. база одного транзистора соединена с коллектором другого.

Изучение работы триггера.

К триггеру предъявляются требования по сохранению устойчивости занимаемого состояния сколь угодно долго до прихода запускающего импульса, надежности и быстроте переброса из одного состояния в другое с приходом каждого запускающего импульса. Схема симметричного триггера, подлежащего исследованию, показана на рис.6. В исходном состоянии, если, транзистор VT2 открыт, то транзистор VT1 закрыт (рис.6). Режим отсечки закрытого транзистора обеспечивается источником напряжения смещения +Е_СМ = 12В. Условия надежного запирания транзистора:

(5)

где I_KOmax -максимальное значение обратного тока транзистора. Из условия (5) следует, что на базе закрытого транзистора должен быть положительный потенциал относительно эмиттера. Режим насыщении транзистора VT2 в этом случае обеспечивается током от источника Е_K через резисторы R₁ и R₃ при условии:

(6)

где β_min - минимальный коэффициент усиления базового тока транзистора. Так как триггер симметричен, то условия (5), (6) справедливы для обоих транзисторов. В зависимости от способа подачи запускающих сигналов различают две разновидности триггерных схем: триггеры с раздельным запуском и триггеры с общим (счетным) запуском (рис. 6)

РЕЖИМ РАЗДЕЛЬНОГО ПУСКА

В триггере с раздельным запуском чередующиеся положительные и отрицательные импульсы последовательно подаются на базу транзистора VT2 через резистор R₇ и переключатель П1. Следует заметить, что при поступлении подряд двух или более импульсов одной полярности состояние триггера не меняется. Переброс триггера происходит только в тех случаях, когда меняется полярность входных импульсов. Разнополярные чередующиеся импульсы формируются цепочкой С_З и R₈, которая обладает малой постоянной времени заряда и разряда. Когда на эту цепочку поступает прямоугольное напряжение от мультивибратора с блокировкой коллекторных потенциалов (см. рис.6б) на выходе появляются короткие импульсы (1,2,3...), соответствующие моментам переключения напряжения мультивибратора (рис.6в).

Транзисторы триггера работают в ключевых режимах. В схеме предусмотрен источник смещения БП-2, благодаря которому на базе закрытого транзистора создается положительное напряжение, обеспечивающее надежное запирание. Открытый транзистор должен находиться в насыщении с запасом, обеспечивающим это состояние при допустимых отклонениях параметров схемы и режимов питания.

Положим, что схема триггера (рис.6а) находится в одном из устойчивых состояний. При этом транзистор VT2 открыт и насыщен. Напряжение на его коллекторе близко к нулю. Делительная цепь R₄R₅ обеспечивает положительное напряжение на базе VT1, т.е. VT1 надежно заперт. На коллекторе VT1 устанавливается отрицательное напряжение, близкое по величине к -Е_K. Это напряжение обуславливает ток в базе транзистора VT2, достаточный для его насыщения. С приходом положительного импульса на базу VT2, транзистор VT2 начнет закрываться. Напряжение на его коллекторе становится более отрицательным, что приводит к увеличению тока в делительной цепи, питающей базу транзистора VT1. Снижение напряжения на базе приводит к открыванию этого транзистора. Напряжение на его коллекторе становится более отрицательным. Ток в делительной цепи R₃R₆, питающий базу транзистора VT2 уменьшается, т.е. он еще больше закрывается, Напряжение на его коллекторе становится еще более отрицательным. В схеме развивается лавинообразный процесс опрокидывания, по окончании которого транзистор VT2 окажется надежно закрытым, а транзистор VT1 открытым и насыщенным. С приходом отрицательного импульса снова открывается транзистор VT2, a VT1 закрывается и т.д.

Диаграмма выходного напряжения U_BbIХ2 триггера показана на рис.6в. Минимальное значение амплитуды входного импульса, при котором начинается устойчивое переключение триггера, называемое порогом срабатывания, определяется параметрами схемы и транзисторов. Способ раздельного запуска некритичен к длительности и амплитуде входных импульсов.

РЕЖИМ СЧЁТНОГО ЗАПУСКА

Пусть триггер находился в одном из устойчивых положений: транзистор VT1 закрыт и находится в режиме отсечки (U_K1 ~ -E_K, U_Б1>0), транзистор VT2 открыт и находится в режиме насыщения (U_K1 ~ 0, U_Б2 <0), конденсатор С₁ заряжен, С₂ -разряжен.

Режим счетного запуска характерен тем, что входные импульсы одной полярности поступают сразу на оба транзистора. В приведенной схеме (рис.6) положительный импульс с цепочки R₈ и С_З через диоды VD1 и VD2 поступает одновременно на базу обоих транзисторов и оба транзистора, пока действует входной импульс, оказываются в закрытом состоянии. По окончании входного импульса триггер должен обязательно изменить свое состояние, т.е. транзистор VT2 должен закрыться, а транзистор VT1 открыться. Если бы форсирующие конденсаторы отсутствовали, процесс переключения триггера после окончания входного импульса мог бы развиваться в любую сторону, т.е. был бы возможен сбой триггера. Однако присутствие форсирующих конденсаторов приводит к тому, что после окончания входного импульса (если он достаточно короткий) состояние всей схемы несимметричное. Несимметричность выражается в различии напряжений на конденсаторах С₁ и С₂ и приводит к тому, что процесс переключения развивается в нужном направлении.

Действительно, в исходном состоянии (транзистор VT1 закрыт) конденсатор С₁ заряжен почти до напряжения источника питания, конденсатор С₂ почти разряжен, т.к. напряжение на базе закрытого транзистора VT1 много меньше по абсолютной величине, чем напряжение источника питания. За время действия входного импульса эти напряжение изменяются незначительно, поэтому в первый момент после его окончания, когда оба транзистора еще закрыты, напряжение на конденсаторе С₁ направлено встречно напряжению питания и ток через этот конденсатор в базу транзистора VT2 не поступает. В то же время напряжение конденсатора С₂ хоть и направлено так же встречно напряжению питания, но меньше его. Это и приводит к открыванию транзистора VT1, что в свою очередь вызывает разрядный ток от конденсатора С₁, поддерживающий закрытое состояние транзистора VT2. В результате триггер перебрасывается. С приходом следующего положительного импульса триггер перебрасывается в обратном направлении.

Таким образом, конденсаторы С₁ и С₂ служат как элементы памяти внутри триггера, “запоминая” его предшествующее состояние. Следует отметить, что длительность входного импульса должна быть небольшая, в ином случае за время его действия начальные напряжения на конденсаторах могут значительно измениться и возможен сбой триггера. Другими словами, триггер со счетным входом критичен к длительности входных импульсов, а в общем случае и к их амплитуде.

Диаграмма выходного напряжения U_ВЫХ2 для режима счетного запуска так же показана на рис.6г, из которой видно, что частота переключения триггера вдвое меньше частоты переключения задающего генератора. Таким образом, триггер со счетным входом как бы считает до двух, т.е. после поступления двух импульсов (например, 1,2 на рис.6в) и с приходом третьего импульса возвращается в исходное состояние.

Триггер со счётным входом используют в счётчиках, пересчетных схемах, делителях частоты.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

1. Подключите к исследуемой схеме (см. рис.6) стабилизатор напряжения. Установите на выходе каждого стабилизатора напряжение 12В. Включите осциллограф и подсоедините его открытый вход к выходу триггера.

2. Убедитесь в работоспособности триггера. Для чего при замкнутом положении переключателя II поочередным нажатием кнопок SB1, SB2 (закорачивая поочередно базы и эмиттеры транзисторов) перебросить несколько раз из одного положения в другое исследуемый триггер. Этот способ часто используют на практике не только для проверки триггера, на и для обнаружения неисправности транзистора.

3. Проверить расчетным путем правильность выбора номинальных значений резисторов R₃, R₄, R₅, R₆ в схеме триггера из условий насыщения и отсечки транзисторов, считая β_min=15, а I_K.O.max = 50мкА. Записать формулы, по которым произведена проверка и полученные данные.

4. Снять на кальку осциллограммы напряжения запускающего генератора и выходных импульсов цепочки C₃R₈ при разомкнутых переключателях П1 и П2. Измерить с помощью осциллографа, пользуясь калиброванной разверткой, частоту запускающих импульсов. Периодом считать интервал времени между двумя соседними импульсами, одной полярности.

5. Определить порог срабатывания триггера в режиме раздельного запуска. Для чего разомкнуть переключатель П2, а переключатель П1 поставить в положение “Режим раздельного запуска”. Изменяя амплитуды запускающих импульсов потенциометром R₈ найти границу устойчивой работы триггера. Измерить с помощью осциллографа амплитуду импульса той полярности, при которой она меньше. Это значение и будет порогом срабатывания.

6. Снять осциллограмму выходного напряжения триггера в режиме раздельного запуска и указать на ней значение частоты.

7. Определить порог срабатывания триггера в режиме счетного запуска. Снять осциллограмму выходного напряжения и указать на ней режим запуска и частоту повторения.

8. Для режима счетного запуска убедиться в нарушении работы триггера при большой, длительности запускающих импульсов, увеличивая ее, замыкая переключатель П1. Проконтролировать с помощью осциллографа увеличение длительности запускающих импульсов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1.В какой из схем мультивибраторов при равных сопротивлениях в цепи коллекторов транзисторов сопротивление базовых резисторов будет меньше?

2.В какой из трех схем мультивибраторов можно обеспечить большую скважность выходных напряжений?

3.Как достигается прямоугольная форма выходных напряжений мультивибратора с отключающими диодами?

4.Каково условие насыщения транзистора в схеме простейшего мультивибратора?

5.Каковы недостатки и преимущества мультивибратора с фиксацией коллекторного напряжения по сравнению с простейшим и с отключающими диодами?

6.Какие требования предъявляют к триггеру?

7.Каким условиям должны отвечать параметры резисторов в схеме триггера?

8.Как поступают импульсы на транзисторы триггера в режиме счётного запуска?

9.Какой полярности должны быть импульсы, подаваемые на базу одного транзистора триггера в режиме раздельного запуска?

10.Какую функцию выполняют форсирующие конденсаторы триггера в режиме счётного запуска?

11.В каком режиме запуска триггер критичен к длительности и амплитуде входных импульсов?

12.Какой режим запуска триггера чаще используется в счётно – решающих устройствах?