Общие сведения о мультивибраторах
Широко применяются устройства, форма выходного напряжения которых резко отличается от синусоидальной. Такие колебания называют релаксационными, следовательно, мультивибратор представляет собой разновидность одного из релаксационных генераторов. Мультивибратор (от латинских слов multim — много и vibro — колеблю) — релаксационный генератор импульсов почти прямоугольной формы, выполненный в виде усилительного устройства с цепью положительной обратной связи (ПОС).
Различают два вида мультивибраторов: автоколебательные (не обладают состоянием устойчивого равновесия) и ждущие (обладают одним состоянием устойчивого равновесия и поэтому называются одновибраторы).
Сущность работы мультивибратора — переключение энергии конденсатора C с заряда на разряд, от источника питания к резистору R. Это переключение осуществляется с помощью транзисторных ключей.
Мультивибратор можно построить на базе биполярных транзисторов (БПТ), полевых транзисторов (ПТ), операционных усилителей постоянного тока (ОУПТ) и др.
3.2 Транзисторный мультивибратор. Принцип действия,
осциллограммы работы мультивибратора
Мультивибратор представляет собой двухкаскадный RC-усилитель охваченный положительной обратной связью (ПОС). Для этого необходимо два транзисторных каскада включённых по схеме с ОЭ (см. рис.3.1) или два инвертирующих ОУПТ.
Для возбуждения мультивибратора необходимо выполнение двух условий — баланса фаз и баланса амплитуд.
Баланс фаз ,
Баланс амплитуд .
т.к. фактор обратной связи , и
,
то фазовый сдвиг усилителя , что и обеспечивается двумя каскадами по схеме с ОЭ.
Рисунок 3.1 — Принципиальная схема транзисторного мультивибратора
Мультивибраторы на БПТ наиболее часто выполняются по симметричной схеме с коллекторно-базовыми связями (см. рис 3.2). Симметричность означает идентичность симметрично расположенных элементов: резисторов ,
и конденсатора
; параметры транзисторов одинаковы. Мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов с ОЭ, выходное напряжение каждого из которых подается на вход последнего. В схеме приведённого мультивибратора использованы транзисторы p-n-p типа.
Рисунок 3.2 — Симметричная схема транзисторного мультивибратора
При подсоединении схемы к источнику питания оба транзистора открыты и обуславливают коллекторные токи. Их рабочие точки находятся в активной области, поскольку на базы через резисторы
,
подаётся отрицательное смещение. Однако такое состояние схемы неустойчивое. Из-за наличия в схеме ПОС выполняется условие
и двухкаскадный усилитель самовозбуждается. Начинается процесс регенерации — быстрое увеличение тока одного транзистора и уменьшение тока другого транзистора.
Пусть в результате любого случайного изменения напряжений на базах или коллекторах несколько уменьшается ток транзистора
. При этом коллектор транзистора
получит отрицательное приращение потенциала
. Поскольку напряжение на конденсаторе
не может мгновенно измениться, это приращение прикладывается к базе транзистора
, открывая его. Потенциал на базе
отрицательный, ток
возрос, потери на резисторе
возросли,
получит приращение
и будет приложено на
(
), т.е. ток
уменьшиться, а ток
возрастёт. Этот процесс протекает лавинообразно и заканчивается тем, что транзистор
входит в режим насыщения, а транзистор
в режим отсечки.
Схема переходит в одно из своих временно устойчивых состояний равновесия (квазиустойчивое состояние). Время нахождения схемы в квазиустойчивом состоянии определяется процессами перезарядки ёмкостей (см. рис.3.3).
Пусть транзистор заперт, а транзистор
открыт – первое временно устойчивое состояние. Конденсатор
заряжен, цепь заряда: ЭБ2 ,
,
, и на “–”. Т.к
заперт, то
. В предыдущем цикле
был открыт и напряжение на нём было
. По мере заряжения ёмкости
ток
уменьшается, потери на
уменьшаются и
.
В момент времени (предыдущий цикл) транзистор
насыщен, а транзистор
– в отсечке. Ёмкость
была заряжена до
. Начиная с момента времени
, ёмкость
начнёт разряжаться. Цепь разряда: “
”,
,
,
и на “–”
.
Напряжение за счёт открытого транзистора
приложено между Б и Э транзистора
(“
” на Б, а “–” на Э).
После перезаряда конденсатора, если бы мы схему оставили в включённом режиме, то напряжение на меняется в
. Потенциал
, транзистор
открывается. Транзистор
закрывается и начинается лавинный процесс перехода транзисторов из одного состояния в другое. В результате этого процесса транзистор
открыт, а транзистор
закрыт – наступает второе временно устойчивое состояние.
Рисунок 3.3 — Временные диаграммы напряжений автоколебательного мультивибратора
Начинается заряд конденсатора по цепи “
”, БЭ
,
,
, и на “–”
. Напряжение
достигает нуля, т.е. больше
. После
переходный процесс повторяется.
Таким образом, переходя периодически из одного временно устойчивого состояния равновесия в другое, мультивибратор формирует выходное напряжение, снимаемое с коллектора любого из транзисторов, почти прямоугольной формы.