Г л а в а 17

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

17.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Мультивибратором называется генератор колебаний прямоугольной формы. Длительность выходных импульсов и период электрических колебаний определяются величи­ ной параметров времязадающих цепей, входящих в схему. В схемном отношении мультивибраторы представляют со­ бой двухкаскадные устройства с глубокой положительной обратной связью. В зависимости от решаемых задач мульти­ вибратор может работать в одном из трех режимов: авто­ колебательном, ждущем (заторможенном) и в режиме синх­ ронизации (деления частоты).

В режиме автоколебаний мультивибратор генерирует импульсы прямоугольной формы. Схема обладает двумя состояниями неустойчивого равновесия (квазиравновесия), в течение которых токи и напряжения в цепях схемы медленно меняются. Квазиравновесие заканчивается лавино­ образным процессом опрокидывания схемы, т. е. перехо­ дом схемы в новое состояние неустойчивого равновесия.

В ждущем режиме мультивибратор генерирует одиноч­ ные импульсы прямоугольной формы под воздействием входных запускающих импульсов. Схема обладает одним исходным состоянием устойчивого равновесия и одним со­ стоянием неустойчивого равновесия. Совершив одно опро­ кидывание, ждущий мультивибратор возвращается в ис­ ходное состояние.

В режиме синхронизации (деления частоты) на вход автоколебательного или ждущего мультивибратора подается внешнее синхронизирующее напряжение. При этом частота повторения выходных импульсов мультивибратора равна (или кратна) частоте следования синхронизирующих импульсов.

Все указанные режимы работы мультивибратора возмож­ ны только при выполнении условий самовозбуждения схемы.

17.2.АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР

СКОЛЛЕКТОРНО-БАЗОВЫМИ СВЯЗЯМИ

Принципиальная схема мультивибратора приведена на рис. 17.1, а. Выходные импульсы снимаются с коллекторов транзисторов VT\ и VT2. Диаграммы напряжений, пояс­ няющие работу схемы, представлены на рис. 17.1, б.

Пусть к некоторому моменту времени tt транзистор VT1 ■был в состоянии насыщения, а транзистор VT2 — закрыт. Тогда конденсатор С1 заряжается входным током транзи­ стора VT 1 через R Ki, а конденсатор С2 разряжается через резистор R2, источник питания Ек и выходную цепь насы­ щенного транзистора VTI. В момент tx транзистор VT2 от­ крывается и на его коллекторе появляется положительное приращение напряжения, которое через конденсатор С1 передается на базу транзистора VT1, вызывая запирание

последнего. На коллекторе транзистора VT\ появляется отрицательное приращение напряжения, которое через кон­ денсатор С2 содействует отпиранию последнего. В схеме развивается лавинообразный процесс перехода в новое состояние неустойчивого равновесия. Транзистор VTI закрывается, a VT2 открывается. Напряжение на емкости С1, заряженной в предыдущем цикле с полярностью, пока­ занной на рис. 17.1, а, приложено между базой и эмиттерсм транзистора VTI и удерживает последний в закрытом со­ стоянии. Напряжение на базе иы в первоначальный момент близко «+ Ек», а затем уменьшается по экспоненциальному закону вследствие перезаряда конденсатора С1 через R 1, источник питания Ек и выходную цепь транзистора VT2. Одновременно происходит заряд конденсатора С2 входным током транзистора VT2. После окончания заряда С2 тран­ зистор VT2 удерживается в состоянии насыщения за счет

этому процесс заряда конденсатора заканчивается значитель­ но раньше, чем происходит перезаряд второго конденсатора.

После уменьшения напряжения заряда конденсатора С1 до нуля транзистор VT1 приоткрывается, на его коллекторе появляется положительное приращение напряжения, ко­

tn%равны. Иногда в мультивибраторах вместо понятий /и и tn пользуются понятиями длительности / И1 положительного и длительности / и2 отрицательного импульса (рис. 17.1, б). Период следования импульсов Т = tH\ + t„2.

Длительности импульсов Ui и / и2 определяются време­ нем перезаряда конденсаторов С1 и С2 и практически рав­

+-7^ ограничивается временем полного заряда конденса- *И1

тора с большей емкостью через соответствующее сопротив­ ление. Поэтому максимальная скважность не превышает

величины Qmax = -----1 , где Р — коэффициент уси­

ления транзистора по току.

Это значит, что если Р « 30, то Q « 10. Длительность фронта импульса при запирании транзистора определяется временем заряда соответствующей времязадающей емкости С через коллекторное сопротивление RKи примерно равна тф « 3CRK.

Длительность фронта импульса при отпирании транзи­ стора определяется в основном частотными свойствами транзистора. Фронты выходных импульсов напряжения имеют существенную нелинейность, т. е. необходима их коррекция.

17.3.АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР

СКОЛЛЕКТОРНО БАЗОВЫМИ СВЯЗЯМИ

ИУЛУЧШЕННОЙ ФОРМОЙ ИМПУЛЬСОВ

Для уменьшения длительности фронтов импульса в мультивибраторах применяются отсекающие или фикси­ рующие диоды.

Принципиальная схема мультивибратора с отсекающими диодами представлена на рис. 17.2, а. Диаграммы напряже­ ний, поясняющие работу схемы, показаны на рис. 17.2, б.

&и Екк н J

Впроцессе опрокидывания мультивибратора потенциал коллектора запирающегося

транзистора, например V TI, становится более отрицательным и диод VD1 запирается. Заряд времязадающего конденсатора С2 происходит через резистор /?зап1 и поэтому напряжение на коллекторе тран­ зистора VTI изменяется с большой крутизной. Длитель­ ность фронта импульса будет определяться только частот­ ными свойствами самого транзистора При обратном опро­ кидывании диод VD 1 открывается и конденсатор С2 разря-

жается через открытый транзистор VT1, диод V D \y рези­ стор R2 и источник питания Ек.

Рассматриваемая схема мультивибратора позволяет по­ лучить на выходе импульсы практически прямоугольной формы. Но одновременно здесь по сравнению со схемой рис. 17.1 увеличивается мощность, потребляемая от источ­ ника питания, за счет дополнительных резисторов /?зап, включаемых в цепи коллекторов транзисторов, а также уменьшается скважность генерируемых импульсов.

На рис. 17.3 представлена схема мультивибратора с фик­ сирующими диодами. Принцип действия этой схемы подо­ бен схеме триггера с фиксирующими диодами (рис. 16.6, а). При достижении на коллекторе запирающегося транзисто­ ра уровня — £ф соответствующий диод VD\ или VD2 открывается и фиксирует выходное напряжение на уровне Еф. При этом наблюдается существенное уменьшение дли­ тельности фронтов импульсов так, как было показано на рис. 16.6, б.

17.4. МУЛЬТИВИБРАТОР В ЖДУЩЕМ РЕЖИМЕ

Мультивибратор, работающий в ждущем режиме, на­ зывают ждущим мультивибратором или однови^ратором.

На рис. 17.4 представлена схема одновибратора с кол­ лекторно-базовыми связями. В отличие от триггера в этой схеме связь между коллекто­

сыщения; Р2 — коэффициент усиления по току транзистора VT2. Из (17.1) получим, что транзистор VT2 будет насыщен, если R2 ^ Р2 #к2 .

Для надежного запирания транзистора VT\ при насы­ щении транзистора VT2 сопротивление резистора R 1 и R c нужно выбирать так же, как и в триггере из условий (16.5) и (16.1) соответственно. Конденсатор С2 в исходном состоянии заряжен практически до напряжения £ к, а ус­ коряющий конденсатор С1 разряжен практически до ве­ личины Еб. Под воздействием импульса положительной полярности происходит опрокидывание схемы в состояние неустойчивого равновесия, когда транзистор VT1 перехо­ дит в состояние насыщения, а транзистор VT2 — закрыва­

Новый запускающий импульс может быть подан на вход схемы только после нового заряда конденсатора С2 входным током транзистора VT2 и установления в цепях схемы по­ стоянных токов и напряжений. Этот процесс протекает в течение этапа восстановления tB. На практике tB« (3...5) х xC 2RK\. Длительность выходного импульса tu определяется в одновибраторе также, как и в автоколебательном муль­

В схеме 17.4 применен базовый запуск одновибратора. Однако, в схемах подобного типа может быть также исполь­ зован коллекторный запуск.

17.5. МУЛЬТИВИБРАТОР С ЭМИТТЕРНОЙ СВЯЗЬЮ

Мультивибратор с эмиттерной связью может работать в режиме автоколебаний и в ждущем режиме. Ждущий режим схемы легко создается схемным путем без применения внеш­ него источника смещения. Поэтому такой режим работы мультивибратора применяется наиболее часто. Схема жду­ щего мультивибратора (одновибратора) с эмиттерной связью приведена на рис. 17.5, а. На рис. 17.5, б представлены диаграммы напряжений, поясняющие работу схемы.

В исходном состоянии устойчивого равновесия VT\ за­ крыт, VT2 насыщен. Насыщение транзистора VT2 обеспе-

чивается соответствующим выбором сопротивления рези­ стора R6, через которое протекает ток базы транзистора УГ2, достаточный для насыщения последнего. В эмиттерной цепи транзистора VT2 протекает ток, за счет которого на сопротивлении резистора R3 создается падение напряже­ ния (Уэ. Одновременно через делитель RIR2 протекает ток делителя, который на сопротивлении резистора R2 создает падение напряжения UR2. Если | V3 1> | UR\ |, то на базу транзистора V T1 подается положительный потенциал от­ носительно эмиттера и VT 1 будет удерживаться в запертом состоянии. В исходном состоянии конденсатор С заряжен входным током транзистора VT2 до величины Uc « Ек— 11э.

При подаче на вход схемы импульса UBX отрицательной полярности с амплитудой большей, чем (Ли, транзистор VT 1 начнет открываться. На его коллекторе появится по­ ложительное приращение напряжения, которое через кон­ денсатор С поступает на базу транзистора VT2, вызывая его закрывание и уменьшение тока эмиттера. В результате падения напряжения U3на резисторе R3начинает уменьша­ ться и транзистор VT 1 еще больше открывается. Процесс опрокидывания схемы закончится полным запиранием тран­ зистора VT2 и отпиранием VTI.

Соответствующий выбор величины сопротивления рези­ стора # 1 обеспечивает насыщение открытого транзистора

Запускающий импульс f/BX по­ ложительной полярности закрыва­ ет транзистор V T\ . Отрицательное приращение коллекторного напря­ жения этого транзистора поступает на базу транзистора VT2 , который тоже запирается. В этом состоянии неустойчивого равновесия транзи­ сторы будут находиться до тех пор, пока напряжение между базой и эмиттером транзистора VT\ по мере перезаряда конденсатора С через источник питания Ек и резисторы RI и /?ко не станет равным нулю.

Вслед за этим произойдет опрокидывание схемы в исходное состояние. Этап восстановления схемы пройдет очень быст­ ро, т. к. конденсатор С заряжается через малые сопротив­ ления насыщенных транзисторов.

Недостаток схемы состоит в наличии большой, потреб­ ляемой от источника питания мощности, т. е. в исходном состоянии оба транзистора открыты и насыщены.

17.7.СИНХРОНИЗАЦИЯ И РЕЖИМ ДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ

ВМУЛЬТИВИБРАТОРАХ

Два электрических колебания называются синхронными, если частота одного из них оказывается в целое число раз больше или меньше частоты другого и если изменение ча­ стоты одного колебания приводит к пропорциональному изменению частоты другого.

Два генератора электрических колебаний с различны­ ми частотами собственных колебаний могут быть синхро­

баний, сделав ее кратной частоте колебаний первого генера­ тора. Для синхронизации необходимо, чтобы частота собст­ венных колебаний /с синхронизирующего генератора была

тора станет равной частоте /с. Такой режим работы схемы синхронизируемого генератора называется режимом син­ хронизации.

UKZU

*к Ш Ю Х Ж '

Рис. 17.9. Временные диаграммы напряжений автоколебательного мультивибратора в режиме деления частоты

На рис. 17.8 показаны временные диаграммы напряжений схемы в режиме синхронизации, а на рис. 17.9 — в режиме деления частоты. Пунктирной линией показаны графики напряжений в схеме при отсутствии синхронизирующих импульсов (частота колебаний определяется собственной частотой колебаний мультивибратора). Сплошной линией показаны графики напряжений при подаче синхронизиру­ ющих импульсов (т. е. графики вынужденных колебаний схемы).

Стабильность частоты вынужденных колебаний мульти­ вибратора определяется исключительно стабильностью ча­ стоты синхронизирующих импульсов. Режим синхрони­ зации (деления частоты) позволяет получить на практике точное совпадение начала работы или запуска двух или не­ скольких различных электронных устройств.

Контрольные вопросы и упражнения

1.Проиллюстрируйте графически работу автоколебатель­ ного мультивибратора с отсекающими диодами.

2.Проиллюстрируйте графически работу автоколебатель­ ного мультивибратора с фиксирующими диодами.