книги / Физические основы электроники
..pdfРис. 9.31
У/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / Л
Сувеличением |г/вх| и |иВых| напря жение на одном из
стабилизаторов до |
|
|
стигнет |
значения ~ |
Г- --------------- ^"2/йх |
Ucr, при |
котором |
|
происходит пробой: |
|
|
дальнейшее увели |
|
|
чение |мвх| |
увеличи |
|
вает ток через ста билитроны, но на
пряжение на них | t/CT| + U Пр практически не изменяется. Та ким образом, после пробоя стабилитрона напряжение на вхо де ОУ ограничивается на уровне, равном Ucr + t/np.
Если после этого с уменьшением |мВх| напряжение на ста билитроне окажется меньше |1/ст|, высокое сопротивление ста билитрона восстановится и мВЫх будет следовать за измене ниями Мвх при коэффициенте усиления К = -RilR\.
Когда Ивх изменит полярность и по абсолютному значе нию станет равным | Uc\ + UaР, пробьется второй стабилитрон и другая полуволна выходного напряжения будет ограничена на уровне |£/ст| + Unp.
Так как рассматриваемый каскад является инвертирую щим, то характеристика ограничителя (рис. 9.31) расположена во втором и четвертом квадрантах: положительным значени ям Мвх соответствуют отрицательные значения t w и наоборот.
Реальный стабилитрон имеет характеристику, отличаю щуюся от изображенной. Его дифференциальное сопротивле ние Дм/Д/ после пробоя на прямой ветви не равно нулю. По этому участок характеристики, соответствующий ограниче нию, не является строго горизонтальным.
Рассмотрим схему ограничителя на ИМСОУ, где в цепь отрицательной обратной связи введены диоды (рис. 9.32). Резисторами Лэ—Re устанавливаются положительный потен циал катода Di и отрицательный анода Di. Пока диоды запер-
h
г -И
ты, коэффициент усиления каскада определяется отношением R 2/R 1. При нарастании положительного входного напряжения отрицательным напряжением на выходе отпирается диод Du Через него резистор R A оказывается включенным между точ ками а и Ъ. Так как за счет конденсатора С\ переменное на пряжение на резисторе R 4 не выделяется, то при дальнейшем увеличении мВх напряжение на выходе не изменяется: и,т = = иЬа =м^ . Аналогично происходит ограничение положитель
ного выходного напряжения после отпирания диода Di. Из менение уровней ограничения может осуществляться резисто рами Лз—i?6.
9.7. Мультивибраторы
Мультивибраторы, так же как и блокинг-генераторы, от носятся к классу релаксационных генераторов. Колебания, в которых медленные изменения чередуются со скачкообразны ми, называются релаксационными. Такими колебаниями явля ются, в частности, прямоугольные и пилообразные импульсы.
Релаксационные генераторы могут работать в автоколе бательном и ждущем режимах, а также в режиме синхрониза ции и деления частоты.
Генератор в автоколебательном режиме генерирует коле бания непрерывно. В ждущем режиме генератор «ждет» по ступления запускающего сигнала, с приходом которого выда ется один импульс.
В режимах синхронизации и деления частоты длитель ность периода колебаний данному генератору задается на пряжением другого генератора.
Мультивибраторы выпускаются в виде монолитных инте гральных микросхем, выполняются на операционных усили телях, цифровых интегральных схемах, а также на дискрет ных компонентах: например, на транзисторах — как актив ных элементах.
Рассмотрим работу транзисторного мультивибратора (рис. 9.33). Прямоугольные импульсы имеют широкий спектр час тот. Этим определяется название мультивибратора, означаю щее «генератор множества колебаний». Мультивибратор пред ставляет собой двухкаскадный резисторный усилитель, по строенный на транзисторных ключах— инверторах. Положи тельная обратная связь имеется в схеме за счет того, что вы ход одного ключа соединен с входом другого. Действительно, если относительно эмиттера потенциал базы транзистора Т\ станет, к примеру, более отрицательным, то потенциал кол лектора Т\ (и базы Тг) окажется более положительным, а по тенциал коллектора Тг (и базы Т\) — более отрицательным. Так, к первоначальному приращению потенциала добав-
V//////////////////////////////////////////////////.
ляется приращение того же знака, по ступающее в исход ную точку на петле обратной связи.
Заметим, что цепь положитель ной обратной связи ■замыкается и нор мально функциони рует, когда оба транзистора отпер ты и работают в усилительном ре жиме.
Прямоугольные импульсы формиру ются на коллекторе транзистора: плос кая вершина — ко гда транзистор за перт, а его коллек тор имеет относи тельно высокий (по абсолютному зна чению) потенциал; пауза между им пульсами — когда
транзистор насыщен и потенциал его коллектора мал. Дли тельности указанных состояний транзистора определяются напряжениями на конденсаторах схемы, которые имеют воз можность периодически заряжаться и разряжаться. Крутые фронты импульса обеспечиваются лавинообразным перехо дом транзистора из одного состояния в другое за счет поло жительной обратной связи и усилительных свойств транзи сторов в схеме; их совместное действие приводит к тому, что
каждое последующее приращение потенциала на электроде транзистора совпадает по знаку с предыдущим приращением и превышает его по значению.
Физические процессы в мультивибраторе поясняются диаграммами, представленными на рис. 9.34. Начнем с момен та, когда транзистор Тг насыщен, конденсатор Сг (полярность его напряжения показана на рис. 9.33) разряжается и напря жение на нем приближается к нулю. Напряжением ие транзи стор Т\ заперт, так как левая по схеме обкладка Сг непосред ственно соединена с базой Т\ через насыщенный транзистор Тг. Такому состоянию соответствуют временные диаграммы на рис. 9.34 до момента времени п, в соответствии с которы ми w6j « 0, иКг = 0. Каждый период следования формируемых
импульсов можно разбить на ряд стадий: формирование фрон та импульса — участок ab—be, формирование плоской вер шины импульса — участок cd; формирование среза импульса
— участок de\ пауза — интервал h—h.
Из рассмотренной работы мультивибратора следует, что когда насыщен транзистор Т\ и разряжается конденсатор С\, заперт транзистор Тг’, когда насыщен транзистор Тг и разря жается конденсатор Сг, заперт транзистор Т\.
Таким образом, формирование импульса на коллекторе Тг соответствует паузе между импульсами на коллекторе Т\ и наоборот, уменьшающийся положительный потенциал на ба зе Тг соответствует приблизительно нулевому потенциалу на базе Т\ и наоборот. Это показано на временных диаграммах (см. рис. 9.34).
Особенностью рассмотренных процессов является также отрицательный выброс на базе отпирающегося транзистора. Так как при отпирании транзистора Тг (например, в момент ti) он обусловлен передачей через конденсатор Ci отрица тельного перепада с коллектора закрывающегося транзистора Т\, а при отпирании транзистора Т\ — передачей через конден сатор Сг отрицательного перепада с коллектора закрывающе гося транзистора Тг.
Основные параметры колебаний. Амплитуда генерируе мых импульсов:
и п,= “ кн - « к ип ~ Е К; |
(9.45) |
U6j» MC| = -£ к + 2ЕкС Tl , |
(9.46) |
где хг« i?62Ci— постоянная времени разрядки конденсатора Си
Подставим в формулу (9.46) значения х2, и для времени t = (с начала разрядки конденсатора Ci) потенциал базы
транзистора Гг н6} станет равным нулю. С учетом этого вы ражение примет вид:
f"2 |
|
-£ к + 2£к е C|/^ « 0. |
(9.47) |
Отсюда после преобразований получим: |
|
t4 « £g2 Ci In 2 * 0,7 i?e2 Ci = 0,7x2. |
(9.48) |
Проведя аналогичные рассуждения по отношению к за |
|
крывающемуся транзистору Ti, находим: |
|
Г„, * Лв( С2 In 2 * 0,7 £ б| С2 = 0 , 7 X 1 , |
(9.49) |
где х.*£б,С 2 — постоянная времени разрядки конденсатора Сг.
Конденсаторы Ci и Сг, определяющие длительности им пульсов, называют времязадающими (хронирующими).
Очевидно, что период колебаний |
|
|
Т = ГН| + гИ2 * 0,7(Лб| Сг + \ |
Ci) = 0,7 (х. + хг). |
(9.50) |
Для симметричного мультивибратора £ 6) = |
= Re; |
|
Ci = Сг = C; xi = хг =x. Поэтому rHj |
= rHj = 0,7Ci?6 = 0,7x. (9.51) |
|
Отсюда период колебаний, коэффициент заполнений и |
||
скважность соответственно равны: |
|
|
Г = 2г„ = 1,4 CRe; |
(9.52) |
|
у = tJ T = 0,5; |
(9.53) |
|
© = 1/у = 2. |
(9.54) |
|
Длительность переднего импульса определяется временем зарядки хронирующего конденсатора через коллекторный резистор того же плеча:
Ц * ЗСЯк. |
(9.55) |
Это время называется временем восстановления схемы.
|
|
|
|
Основная схем а |
'/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / Л |
' МультибиВраторл, |
|||
Мультивибратор |
|
|||
с корректирующими |
|
|||
диодами. |
Основная |
|
||
схема |
мультивибра |
|
||
тора |
генерирует |
им |
|
|
пульсы, |
форма кото |
№ульти&и.5рсигюр с |
||
рых |
отличается |
от |
O p p 2 K m u ^ H D U X fU /^ U |
|
прямоугольной |
(рис. |
|
||
9.35): передний фронт отрицательного импульса получается пологим. Причиной
этого искажения является зарядка конденсатора С через рези стор Лк, из-за чего потенциал коллектора постепенно при
ближается к значению ик~ -Е к.
Заметное улучшение формы импульсов обеспечивает схе ма мультивибратора с корректирующими диодами (рис. 9.36). Ток заряда конденсатора С\ (Сг) замыкается здесь не через коллекторный резистор Лк, (Лк2), а через резистор Л 1 (Л 2), что
обеспечивается диодом D\ (Di).
Чтобы общее сопротивление в цепи коллектора каждого транзистора в схеме (рис. 9.33) было таким же, как в схеме на рис. 9.36, обычно выбирают
Лк, = R K2= Л 1 = Л 2 = 2(Лк,)* = 2(Лк2)*,
где (Лк,)* и (Л К2)* — сопротивление коллекторных резисторов в основной схеме.
При этом через открытый транзистор во второй схеме проходит такой же ток, как и в первой схеме.
Наряду с преимуществами мультивибратор с корректи рующими диодами имеет недостатки.
1.Данная схема не может обеспечивать такую же скваж ность импульсной последовательности в сравнении с первой. Конденсаторы должны отличаться значительно для обеспече ния такой скважности. Конденсатор большей емкости не ус певает заряжаться через R\ (Л2) за время, в течение которого конденсатор меньшей емкости разряжается через Ле2 (Re).
2.Меньшая нагрузочная способность. Большое выходное
сопротивление схемы Лвы* « Лк = = 2(Лк)*, где (Лк)* — сопротив ление коллекторного резистора в первой схеме.
Ждущий мультивибратор. Часто бывает необходимо по лучать одиночные импульсы в определенные моменты време ни. Для решения такой задачи мультивибратору надо обеспе чить одно устойчивое состоя ние. Обычно его получают за пиранием усилительного эле мента в одном из плеч мульти вибратора, вследствие чего схе ма не может выйти из такого состояния самостоятельно. В этом случае для возникновения генерации необходим внешний запускающий импульс. Поско льку схема «ждет» такой им-
'/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / л
Рис. 9.37
пульс, то мультивибратор называется ждущим. Его называют также одновибратором (при каждом запуске вырабатывается только один импульс) и заторможенным мультивибратором (рис. 9.37).
Роль запускающего импульса сводится к тому, чтобы приоткрыть запертый усилительный элемент, т.е. создать ус ловия для возникновения лавинообразного процесса. Поэто му запускающий импульс должен иметь определенную поляр ность, а также соответствующую амплитуду и длительность.
После опрокидывания, во время формирования импульса, схема находится в неустойчивом состоянии, из которого са мостоятельно и тоже лавинообразно возвращается в устойчи вое (исходное) состояние, а затем выводится из него следую щим запускающим импульсом.
Ждущие мультивибраторы могут использоваться как элементы задержки. Действительно, если импульсы, сформи рованные ждущим мультивибратором, продифференциро вать, а затем срезать импульсы, полярность которых соответ ствует полярности запускающих импульсов, то полученная последовательность окажется задерженной по отношению к последовательности запускающих. Время задержки Гзад соот ветствует пребыванию мультивибратора в неустойчивом со стоянии. На рис. 9.37 изображены временные диаграммы на пряжений: запускающего, на коллекторах транзисторов и выходного напряжения после ограничителя.
Существует несколько разновидностей схем ждущих мультивибраторов. Наиболее часто используется ждущий мультивибратор с коллекторно-базовыми связями. Схему такого мультивибратора легко получить из схемы автоколе бательного мультивибратора, если в нее ввести источник смещения +Еб (рис. 9.38).
Исходное состояние схемы однозначно: транзистор Т\ за перт источником смещения +Ев, а Тг — насыщен. При этом конденсатор Сi имеет возможность заряжаться по цепи: +Ек
— «земля» — эмиттерный переход транзистора Тг — Ci —
як, -№).
Для генерации импульса необходимо вывести схему из ус тойчивого состояния. С этой целью на базу транзистора Т\ че-
Рис. 9.SS V///////////////////////////////////y////////^^^^
рез разделительный конденсатор СР подают отрицательный запускающий импульс. При двух отпертых транзисторах раз вивается лавинообразный процесс, приводящий к опрокидыва-