Транзисторные мультивибраторы

Мультивибратор – генератор множества колебаний.

Рисунок 3.32

Мультивибратор представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель, построенный на транзисторных ключах-инверторах.В схеме имеется ПОС за счёт того, что выход одного ключа соединён со входом другого (ПОС существует только тогда, когда оба транзистора открыты).

Физические процессы в мультивибраторе. Рассмотрение работы мультивибратора начнем с момента, когда транзистор VT2 насыщен, конденсатор С2разряжается и напряжение на нем приближается к нулю .

Транзистор VT1 запертнапряжением , так как левая по схеме обкладка С2непосредственно соединена с базой VT1, а правая оказывается присоединенной к эмиттеру VT1 через открытый транзистор VT2.

Этому состоянию соответствуют временные диаграммы (рис. 3.32 б) до момента времени ), в соответствии с которыми . Каждый период следования формируемых импульсов можно разбить на ряд стадий.

Формирование фронта импульса. Когда напряжение на разряжающемся конденсаторе С2станет примерно равным нулю , транзистор VT1 отпирается.

При одновременно отпертых транзисторах VT1, VT2 замыкается цепь положительной обратной связи (ПОС) — возникают условия для лавинообразного процесса. Отпирание транзистора VT1 приводит к уменьшению отрицательного потенциала второго коллектора. Так как напряжение на конденсаторе С1 не может изменяться мгновенно, то этот положительный скачок напряжения целиком прикладывается между базой и эмиттером VT2, что вызывает уменьшение тока в его цепи. Вследствие этого потенциал второго коллекторастановится более отрицательным — отрицательный скачок напряжения через конденсатор С2 передается на базу транзистора VT1, что приводит к еще большему его отпиранию и т. д.

Так как каждый последующий скачок напряжения на базе больше предыдущего (за счет усилительных свойств транзисторов), то описанный процесс нарастает лавинообразно и спустя небольшое время, исчисляемое долями микросекунды, транзистор VT2 оказывается запертым. С этого момента цепь положительной обратной связи обрывается и лавинообразный процесс прекращается. Параметры схемы выбраны так, что открывшийся транзистор VT1 оказывается в режиме насыщения. Запиранию транзистора VT2 соответствует участок a-bкривой (рис. 3.32б).

Во время лавинообразного процесса напряжение на конденсаторе С2 не успевает измениться и равно нулю. Только после запирания транзистора VT2 этот конденсатор начинает заряжаться током i₃по цепи: +Е_К— «земля» — эмиттер — база насыщенного транзистора VT1 — С2— — (-Е_к). За счет этого потенциал коллектора VT2 постепенно приближается к установившемуся значению (участок bcкривой и_К2на рис. 13.2). Когда конденсатор С2зарядится ( =0), напряжение на коллекторе примет значение и_К2 -Е_к. На этом формирование фронта импульса закончится.

Формирование плоской вершины импульса. До момента времени t₁конденсатор С1, присоединенный к коллектору запертого прежде транзистора VT1, был заряжен до напряжения U_c₁≈ -Е_к(аналогично тому, как сейчас заряжен конденсатор С2, присоединенный к коллектору запертого транзистора VT2).

После насыщения транзистора VT1 напряжение на этом конденсаторе оказывается приложенным между базой и эмиттером транзистора VT2 и удерживает VT1 запертым. Поэтому напряжение и_К2остается неизменным — на коллекторе VT2 формируется плоская вершина импульса.

При насыщенном транзисторе VT1 конденсатор С1получает возможность разряжаться по цепи: + Е_к— «земля» — VT1 — С1— — (-Е_к). Как только С1 разрядится, транзистор VT2 отпирается и в схеме вновь создаются условия для лавинообразного процесса. На этом (в момент времени t₂; рис. 3.32 б) формирование плоской вершины заканчивается.

Формирование среза импульса. Начавшийся лавинообразный процесс протекает аналогично описанному с той лишь разницей, что теперь напряжение на коллекторе VT1 по абсолютному значению увеличивается, а напряжение на коллекторе VT2 уменьшается. В результате транзистор VT1 запирается, а транзистор VT2 насыщается — на коллекторе VT2 формируется срез импульса (участок deкривой и_К2 на рис. 3.32 б).

Пауза. Через насыщенный транзистор VT2 происходит разрядка конденсатора С2по цепи: +Е_К— «земля» — VT2 — С2— —(- Е_к)(аналогично через соответствующие элементы схемы ранее разряжался конденсатор С1). Пока напряжение и_C₂не приблизится к нулю, транзистор VT1 заперт, а транзистор VT2 насыщен. После отпирания VT1 начнется формирование очередного импульса на коллекторе VT2. Интервал t₂— t₃(рис. 13.2) — пауза между импульсами.

В интервале t₂ — t₃ наряду с разрядкой конденсатора С2 происходит зарядка конденсатора С1 по цепи: +Е_К— «земля» — эмиттер — база VT2 — С1—R_к1—(-Е_к). Аналогично ранее заряжался конденсатор С2, когда транзистор VT1 был насыщен, а транзистор VT2 заперт.

Заметим, что если бы разрядка конденсатора (например, С1)не обрывалась из-за лавинообразного запирания транзистора VT1, то конденсатор перезарядился бы, т. е. напряжение на нем (и на базе транзистора VT2)изменило бы полярность и экспоненциально достигло значения — Е_к(пунктирные кривые на рис. 3.32 б).

Особенностью рассмотренных процессов является также отрицательный выброс на базе отпирающегося транзистора. Так, при отпирании транзистора VT2 (например, в момент t₂рис. 3.32 б) он обусловлен передачей через конденсатор С1 отрицательного перепада с коллектора закрывшегося транзистора VT1, а при отпирании транзистора VT1 — передачей через конденсатор С2 отрицательного перепада с коллектора закрывшегося транзистора VT2.

Основные параметры колебаний. Будем считать, что импульс формируется при запирании транзистора (когда потенциал его коллектора становится более отрицательным), а пауза — при его отпирании. В первом приближении напряжение на насыщенном транзисторе U_{к насыщ}≈ 0, а на запертом -Е_к. Следовательно, амплитуда генерируемых импульсов Е_к.

Как было показано, конденсатор, присоединенный к коллектору насыщенного транзистора, например VT1, разряжается, имея тенденцию перезарядиться. Поэтому положительное напряжение на нем (и_с)и на базе запертого транзистора VT2 экспоненциально уменьшается, стремясь к значению -Е_к(рис. 3.32 б):

(13.1)

где — постоянная времени разрядки конденсатора С1.

При t=0 С этого момента начинается формирование отрицательного импульса на коллекторе транзистора VT2.

Таким образом, длительностьt_и2генерируемого импульса определяется продолжительностью разрядки конденсатора (в данном случае С1), обеспечивающего запертое состояние транзистора VT2. Ее значение можно определить, имея в виду, что спустя время t=t_и2(с начала разрядки конденсатора С1)потенциал базы транзистора VT2( ) станет равен нулю. С учетом этого выражение (13.1) принимает вид