Краткие теоретические сведения. Мультивибратор — радиоэлектронное устройство, вырабатывающее сигнал напряжения

Мультивибратор — радиоэлектронное устройство, вырабатывающее сигнал напряжения почти прямоугольной формы, относится к классу релаксационных генераторов. Он широко используется в физических экспериментах и в разнообразной радиоэлектронной аппаратуре (телевизоры, осциллографы, ЭВМ, измерительные приборы, электромузыкальные инструменты и т. д.).

На рис. 1 представлена схема самовозбуждающегося мультивибратора с коллекторно-базовыми емкостными связями.

Рис.1

Как известно [1], для генерирования колебаний необходимо выполнение условий баланса фаз и амплитуд. Первое условие, как видно из сказанного выше, выполняется. Второе условие, Кb³1 (К — коэффициент усиления без обратной связи, а b — коэффициент передачи 4-полюсника положительной обратной связи), тоже выполняется, т. к. для данной схемы К>>1, а b=1. Из схемы видно, что в ней отсутствуют элементы, которые дают сильную зависимость К(w), b(w) или j(w) от частоты, поэтому форма генерируемого сигнала сильно отличается от синусоидальной, и условие Кb³1, j=2p выполняется для многих частот. Название схемы (мультивибратор) отражает именно этот факт.

Рассмотрим процесс, когда оба транзистора находятся в активном режиме. Приращение напряжения, например, на базе VT1, с усилением в противофазе подается на базу VT2. С коллектора VT2 еще более усиленное это напряжение, уже в фазе, вновь подается на базу VT1. Возникает лавинообразное изменение напряжения — скачок напряжения на базах и на коллекторах. После каждого такого скачка схема находится в одном из квазиустойчивых состояний, когда один из транзисторов закрыт (состояние отсечки), а второй — открыт (чаще всего насыщен). Потенциал (абсолютное значение) коллектора закрытого транзистора равен E_K-I_K0R_K»E_K, а открытого (насыщенного) — U_KH, так что размах колебаний напряжения (импульсная амплитуда) на коллекторах составляет:

(1)

Напряжение на базе закрытого транзистора изменяется от значения E_K-I_K0R_K»E_K почти до 0 по экспоненциальному закону (рис. 2).

Рис. 2

Найдем, например, время закрытого состояния транзистора VT1. Для этого определим временную функцию U_б2(t).

Рассматриваемому состоянию соответствует схема, изображенная на рис. 3.

Рис. 3

Следует заметить, что конденсатор здесь непросто разряжается от +E до 0, а перезаряжается через R_б2 с тенденцией к перемене знака (асимптотическое значение примерно равно -Е_СМ), поэтому пересечение кривой разряда U_C2(t) с линией U_б=0 происходит круто, что способствует стабильности времени Т₂.

Для анализа процесса перезаряда конденсатора обратимся к более удобной эквивалентной схеме (рис. 4).

Рис. 4

Составим и решим дифференциальное уравнение для этого случая. Для узла «а» 1-й закон Кирхгофа дает: I_C=I_K0+I_Rб, т. е.

,

, (2)

где t=R_бС.

Для однородного уравнения:

, (3)

общее решение известно:

. (4)

Общее решение неоднородного уравнения (2) получим, прибавив к общему однородному решению U’_C частное неоднородное решение U”_C, равное, например, U_C(¥):

,

.

Константа интегрирования А определяется из начальных условий:

,

,

.

Поскольку U_б(T₂)=0, то

,

откуда

. (5)

Оценка величин даёт: E_K=(1,5¸15)В, Е_СМ»E_К, 0,2В³U_KH, 0,4В³U_бH, I_K0£10 мкА. Если пренебречь U_KH+U_бН и I_K0(R_б2-R_K) по сравнению с Е_К и Е_СМ, то получим I_К0£(0,1¸1) В.

. (6)

Иногда Е_СМ делают регулируемой для регулировки Т. Если такая регулировка не нужна, то выгоднее всего сделать Е_СМ=Е_К, т. е. R_б1 и R_б2 подключить к -Е_К. В этом случае

. (7)

Для времени закрытого состояния второго транзистора (Т) получаем аналогичные выражения. Каждое из квазиустойчивых состояний повторяется через время, равное периоду колебаний:

Т=Т₁+Т₂.

Импульсы, генерируемые мультивибратором, имеют отклонения от П-образной формы. Особенно это заметно на отрицательном перепаде напряжения U_K (c U_KH на –Е_К), который происходит не очень быстро (рис. 3). Обозначим это время t_ф^- (длительность фронта отрицательного перепада). Такой «плавный» перепад напряжения получается потому, что в это время заряжается конденсатор, подключенный одной обкладкой к коллектору данного запирающегося транзистора, а второй — к эмиттеру (через открытый переход база — эмиттер открытого транзистора), т. е. U_K=U_бH+U_C (рис. 5).

Рис. 5

Процесс установления коллекторного напряжения запертого транзистора, очевидно, подчиняется закону:

.

Поскольку U_K на конечном участке этого процесса приближается к –E_K асимптотически, то по этой причине за t_ф^- считают время установления U_K лишь до уровня 0,9E_K, т. е.

,

откуда, при условии , получаем:

. (8)

Можно, однако, уменьшить t_ф^- и сделать его примерно равным t_ф⁺, если зарядный ток времязадающих конденсаторов пропустить мимо R_K1 и R_K2, отключив конденсаторы на это время от коллекторов с помощью отключающих диодов (рис. 6).

Рис. 6

Запирающийся транзистор, например, VT2, запирает диод VD2, после чего разрядка С1 происходит по цепи эмиттер - база VT1 и резистор R2. Отпирающийся транзистор отпирает диод, и отрицательная обкладка конденсатора через диод и транзистор оказывается подключенной к эмиттеру второго транзистора, а положительная — к базе, а в остальном работа схемы происходит как обычно. Чтобы сильно не увеличивать время восстановления схемы (время заряда конденсаторов), величину сопротивлений R1 и R2 выбирают равной:

R=(0,1¸0,3)R_б. (9)

Величина сопротивления R_б не только определяет время закрытого состояния транзистора, но и режим его в открытом состоянии (насыщен — не насыщен). Зависимость коллекторного тока транзистора от тока базы в схеме с общим эмиттером имеет вид, как показано на рис. 7.

Рис. 7

I_KH — максимальный ток коллектора (насыщенного транзистора):

,

I_бН — ток базы начала насыщения:

.

Если I_б ³ I_бН, то транзистор насыщен, иначе — нет. Найдем условие насыщения. После заряда конденсатора в цепи базы открытого транзистора (за время восстановления) в ней установится ток:

,

тогда для насыщения необходимо, чтобы

,

что при Е_СМ=Е_К дает:

. (10)

Глубина насыщения характеризуется величиной:

. (11)

Лабораторные задания

В экспериментальной схеме установки (рис. 8) используются элементы: VT1 и VT2 — транзисторы МП20Б, С1= С2 = 0.022 мкФ, VD1 и VD2 — диоды Д311А, R_K1 = R_K2 = 8.2 кОм, R1 = R2 = 51 кОм. Для рис. 1 R_б1 = R_б2 =51 кОм, для рис. 6 (мультивибратор с отключающимися диодами) R_б1 = R_б2 =220 кОм.

3.1. Смонтировать и наладить схему мультивибратора по рис. 1. Вместо диодов следует использовать шунты.

3.2. Снять временные диаграммы напряжений на коллекторе (U_K) и базе (U_б) каждого транзистора и измерить потенциалы, соответствующие открытому и закрытому состояниям каждого транзистора, а также длительность этих состояний (Т₁ и Т₂) и время переднего фронта (t_ф^-) и заднего (t_ф⁺). Измеренные значения сравнить с расчетными (теоретическими). Все 4 временные диаграммы должны быть сняты в едином масштабе, с одним и тем же началом координат и расположены друг под другом на 1-й стороне листа. Лучше всего в этом случае для измерений подходит 4-лучевой осциллограф. Однако же можно обойтись и 2-лучевым (и даже 1-лучевым) осциллографом, если учесть, что исследуемые сигналы периодические и в каждом периоде их взаимное временное положение повторяется. Для снятия осциллограмм нужно развертку осциллографа синхронизировать от одного и того же сигнала (режим внешней синхронизации), а сигналы на входы «Y» подавать поочередно (в 2-лучевом осциллографе — попарно), например, U_K1 и U_Б1, потом U_K2 и U_Б2.

3.3. Смонтировать схему мультивибратора с улучшенной формой напряжения (с отключающимися диодами) (рис. 6). Измерить длительность фронтов и сравнить ее с таковой в первой схеме (без диодов).

Рис. 8

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

4.1. Обе исследуемые схемы мультивибратора.

4.2. Рабочие формулы расчета параметров импульсов.

4.3. Эскизы напряжений в цепях коллектора и базы.

4.4. Анализ рассчитанных и измеренных параметров импульсов.

5. Контрольные вопросы

1. Почему колебания мультивибратора имеют почти прямоугольную форму? От чего зависит импульсная амплитуда этих колебаний и длительность переднего фронта?

2. Почему мультивибратор генерирует колебания?

3. Каковы ограничения на выбор величин R_K1 и R_K2?

4. Что определяет длительность периода колебаний мультивибратора и из каких частей он состоит?

5. Каковы ограничения на выбор величины R_б1 и R_б2?

Литература

1. Молчанов А. П., Занадворов П. М. Курс электротехники и радиотехники. М.: Наука, 1976. С. 410—415, 421—424, 146—150.

2. Кабардин О. Ф. Транзисторная электроника. М.: Просвещение, 1972.

3. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам / Под ред. Н. Н. Горюнова. М.: Энергия, 1977.

4. Практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам / Под ред. Шалимовой К. В. М.: Высшая школа, 1968.