Расчет частоты мультивибратора.

Лабораторная работа № 15

Исследование мультивибратора.

Цель:

1. Изучить схему и принцип действия мультивибратора с коллекторно-базовыми связями в автоколебательном режиме.

2. Исследовать мультивибратор, определив его важнейшие характеристики.

Краткие сведения из теории.

Мультивибраторы относятся к генераторам релаксационного типа, у которых форма генерируемых колебаний резко отличается от синусоидальной, а длительность колебаний зависит от реактивных элементов (чаще конденсаторов), входящих в схему. Мультивибраторы широко применяются для получения импульсов напряжения прямоугольной формы и могут быть использованы в качестве задающих генераторов различных устройств промышленной электроники.

Наиболее часто для построения мультивибраторов применяются многокаскадные транзисторные ключи с положительной обратной связью, замкнутые в кольцо. В схемном отношении мультивибраторы отличаются от триггеров наличием времязадающих элементов, которые обычно состоят из конденсатора и сопротивления.

Мультивибраторы могут работать в одном из трех режимов: автоколебаний, ждущем (заторможенном) и синхронизации (деления частоты).

В режиме автоколебаний мультивибратор имеет два состояния квазиравновесия, во время которых в схеме происходят относительно медленные изменения токов и напряжений. Квазиравновесные состояния заканчиваются лавинообразными изменениями токов и напряжений – скачками в схеме. Таким образом, в этом режиме мультивибратор без воздействия внешних сил поочередно переходит скачком из одного состояния квазиравновесия в другое, т. е. является автогенератором. Параметры генерируемых импульсов (амплитуда длительность, частота повторения и т. д.) определяются только параметрами элементов схемы. К мультивибраторам в автоколебательном режиме предъявляется требование высокой стабильности частоты. Однако стабильность частоты мультивибраторов без применения специальных мер стабилизации сравнительно невысока. Относительная нестабильность частоты при воздействии дестабилизирующих факторов (колебаний температуры, напряжения питания и т. п.) достигает нескольких процентов.

В ждущем режиме одно состояние равновесия является устойчивым (исходное состояние), другое - квазиустойчивым. Перевод схемы в квазиустойчивое состояние осуществляется внешним запускающим импульсом, а возврат в исходное состояние происходит в результате внутренних процессов. Во время этого цикла генерируется один импульс, параметры которого определяются параметрами элементов схемы. При подаче на вход последовательности запускающих импульсов частота выходных импульсов равна частоте входных. Ждущий режим обычно используется для формирования импульсов заданной длительности и формы. Мультивибратор в ждущем режиме называют также одновибратором; запертым, заторможенным, ждущим мультивибратором; однотактным релаксатором; кипп-реле и некоторыми другими терминами. В дальнейшем мультивибратор в ждущем режиме будем называть одновибратором.

В режиме синхронизации на автоколебательный мультивибратор подается внешнее синхронизирующее напряжение (синусоидальное или импульсное). В результате этого частота повторения импульсов на выходе мультивибратора становится кратной частоте синхронизирующего напряжения.

Мультивибратор с коллекторно-базовыми связями в режиме автоколебаний.

Схема автоколебательного мультивибратора с коллекторно-базовыми связями показана на рис.1. Этот мультивибратор представляет собой двухкаскадный ключ с ОЭ с емкостной связью между каскадами и выходом, замкнутым на вход. Конденсаторы С_б1 и С_б2 выполняют роль элементов связи (в отличие от резисторов в триггере) и входят во времязадающие цепи. Другим элементом времязадающих цепей являются резисторы R_б1и R_б2. Выходные импульсы снимаются с коллекторов транзисторов Т₁ и Т₂.

Рис. 1.

Мультивибратор обладает двумя состояниями квазиравновесия: в одном состоянии транзистор T₁ заперт, T₂ насыщен; в другом - наоборот. При выполнении условий самовозбуждения К₁К₂ > 1 и j₁ + j₂ = 2p возникают скачки, поочередно изменяющие состояния транзисторов, после чего происходит перезаряд одного и заряд другого времязадающего конденсатора.

Напряжение базы запертого транзистора при перезаряде конденсатора уменьшается по экспоненте, стремящейся к уровню -Е_к. Крутизна экспоненты вблизи порога отпирания достаточно велика, что улучшает стабильность частоты выходных импульсов. Так как мультивибратор работает в автоколебательном режиме, то описание процессов можно начать с любого момента, например, когда после очередного опрокидывания Т₁ оказался насыщенным, а Т₂ - запертым.

Насыщенный транзистор Т₁ в этот момент можно представить эквипотенциальной точкой, поэтому U_к1 » 0 и U_б1 » 0. Напряжение на конденсаторе С_б2, заряженном в предыдущем цикле, с полярностью, показанной на рис. 1, приложено между базой и эмиттером транзистора Т₂ и удерживает последний в запертом состоянии. У запертого транзистора Т₂ напряжение на коллекторе U_к2 » - Е_к, а напряжение на базе U_б2 » U_сб2 в первоначальный момент близко к +Е_к, а затем начинает уменьшаться по экспоненциальному закону вследствие перезаряда конденсатора С_б2.Перезаряд конденсатора протекает по цепи: корпус - эмиттер-коллектор Т₁ - С_б2 – R_экв2 - (- Е_к).Здесь R_экв2 = [(r_к2 + R_к2)R_б2]/(r_к2+ R_к2 + R_б2), r_к2 – сопротивление коллекторного перехода транзистора Т₂.

В это же время заряжается конденсатор С_б1 по цепи: корпус - эмиттер-база Т₁- С_б1- R_к2- (-Е_к) с полярностью, показанной на рис. 1. Обычно элементы схемы выбираются так, чтобы процесс заряда конденсатора С_б1 протекал быстрее, чем перезаряд С_б2. После окончания заряда С_б1транзистор Т₁ удерживается в насыщении за счет протекания базового тока, достаточного для насыщения.

По мере перезаряда конденсатора С_б2 напряжение на нем уменьшается и в некоторый момент становится равным нулю. Начиная с этого момента развивается лавинообразный процесс опрокидывания триггера. Транзистор Т₁ начинает открываться, и напряжение на его коллекторе U_к2 возрастает. Возникшее положительное приращение DU_к2 через конденсатор С_б1 передается на базу транзистора Т₁, вызывая его запирание. Это приводит к уменьшению U_к1 и возникновению на коллекторе Т₁ отрицательного приращения напряжения DU_к1, которое через С_б2 попадает на базу Т₂, содействуя его отпиранию и т. д. В результате Т₂ насыщается, Т₁ запирается, а конденсатор С_б2 заряжается по цепи: корпус - эмиттер-база Т₂ - С_б2- R_кl - (-Е_к). Одновременно с зарядом конденсатора С_б2 происходит более медленный процесс перезаряда конденсатора С_б1. Далее процесс протекает аналогично рассмотренному выше.

Понимая под длительностью импульса t_и время открытого состояния одного или другого транзистора, можно рассчитать скважность импульсов.

Скважность импульсов q = (t_и1 + t_и2)/t_и1 = 1 + (t_и2/t_и1) ограничивается временем полного заряда конденсатора через соответствующее сопротивление. Поэтому максимальная скважность не превышает величины q_макс » [b/(3¸5)]. Например, при использовании транзисторов с обычным значением b = 30 максимальная скважность около 10.

Транзисторные мультивибраторы могут работать в жестком и мягком режиме самовозбуждения. Мягкий режим характеризуется обязательным возникновением генерации при включении источника питания. В жестком режиме для возникновения автоколебаний необходимо внешнее воздействие на схему, например, запускающий импульс.

Жесткий режим самовозбуждения наблюдается в мультивибраторах, когда при включении источника питания оба транзистора оказываются в насыщенном состоянии и не обладают усилительными свойствами. В этом случае условия самовозбуждения не выполняются, и автоколебания отсутствуют. Во избежание жесткого самовозбуждения, что недопустимо в задающих генераторах, необходимо предотвращать сильное насыщение транзисторов. С другой стороны, чтобы получить импульс с плоской вершиной и стабильной амплитудой, необходим насыщенный режим работы транзисторов. Для насыщения транзисторов следует выполнять условия bR_к1 ³ R_б1; bR_к2 ³ R_б2.

Чтобы удовлетворить приведенные выше противоречивые требования, неравенства не должны быть сильными. В этом случае транзисторы поочередно будут работать в режиме насыщения, но вблизи границы с активной областью.

Расчет частоты мультивибратора.

Длительность одной из двух частей периода равна