Мультивибраторы

Мультивибратором называют релаксационный автогенератор пря­моугольных импульсов, представляющий собой двухкаскадный RС - уси­литель со 100 % - ной положительной обратной связью (рис. 5.18). Учитывая, что в мультивибраторе, так же как и в триггере, оба тран­зистора работают в ключевом режиме, мультивибратор можно рас­сматривать в виде схемы двух последовательно включенных ключей. Выходное напряжение первого ключа управляет вторым ключом, а выходное напряжение второго ключа - первым. Но в отличие от триггера выходные напряжения ключей воздействуют на входы дру­гого ключа не непосредственно, а через так называемые времязадающие RС -цепи. Наличие конденсаторов C1 и С₂, имеющих в мультивибраторе принципиальное значение, приводит к тому, что процессы, происходящие в мультивибраторе, резко отличаются от процессов в триггере. Рассмотрим работу симметричного мультивибратора, для схемы которого справедливы следующие равенства: Rк₁ = RK2 = Rк; R1 = R2, =R; С1 = С2 = С.

Рис. 5.18. Принципиальная схе­ма мультивибратора

В реальной схеме симметричного мультивибратора не может быт: абсолютной симметрии, поэтому в мультивибраторе обязательно оди транзистор окажется открытым, а другой запертым. Такое положении представляет собой состояние временно устойчивого равновесия. 3а счет внутренних процессов в мультивибраторе через некоторое время (без какого-либо внешнего воздействия) происходит переброс схемы во второе состояние временно устойчивого равновесия, затем мультивибратор снова возвращается в первое временно устойчивое состояние равновесия и т. д.

Для простоты пренебрежем инерционностью транзисторов, сопро­тивлением открытых р-n - переходов, тепловым током коллекторного перехода I_К0 и напряжением запирания транзисторов е₀. Параметры схемы подберем таким образом, чтобы открытый транзистор находился в режиме насыщения. Тогда с учетом сделанных допущений работу мультивибратора можно представить следующим образом.

Пусть для определенности в момент времени t = 0 произошло оп­рокидывание схемы мультивибратора, в результате которого открылся транзистор T₁. Для этого состояния мультивибратора его эквивалентнaя схема будет иметь вид, представленный на рис. 5.19, а.

При этом (как будет показано далее) на конденсаторе С₂ в момент времени t = 0будет напряжение Е_кс полярностью, показанной на схеме, а конденсатор С_гбудет полностью разряжен. В схеме начнутся процессы изменения напряжений на конденса­торах С₁ и С₂, заряд конденсатора С₁и перезаряд конденсатора С₂ от источника питания - Е_к. Эти процессы будут неодинаковыми по скорости. Конденсатор С_х будет заряжаться через относительно малое сопротивление R_к, а конденсатор С₂ - перезаряжаться через зна­чительно большее сопротивление R. Поскольку R_К < < R, конденсатор С2 быстро зарядится до напряжения \Е_К\,

Рис. 5.19. Эквивалентные схемы мультивибратора

в то время как напряжение на конденсаторе С₂, стремящееся к- Е_к, будет медленно приближаться к ну­лю. Напряжение на конденсаторе С₂ одновременно является напряжением на базе транзистора Т₂ и, пока оно остается положительным, транзистор Т₂ будет заперт. В моменг времени t = t1 напряжение на правой обкладке конденсатора С₂ становится равным нулю, транзистор T₂ открывается и в схеме мультивибратора происходит лавинообразный переброс, в результа­те которого транзистор T₁ оказывается заперт, а транзистор Т₂- открыт.

С момента времени t₁ эквивалент­ная схема мультивибратора прини- мает вид, показанный на рис. 5.19, б. В момент времени t =t1 на­пряжение на конденсаторе С_х будет равно \Е_К\ (заряд произошел за время, когда мультивибратор находился в положении, соответству­ющем первой эквивалентной схеме), а напряжение на конденсаторе С₂— нулю. При этом правые обкладки конденсаторов оказываются присоединенными к «земле» и запертое состояние транзистора T1 будет определяться напряжением на конденсаторе С_ь Снова проис­ходит быстрый заряд теперь уже конденсатора С₂, а когда медленно изменяющееся напряжение на конденсаторе С_г достигнет нуля (t = t₂), открывается транзистор T₁, происходит новый лавинообразный про­цесс и схема мультивибратора возвращается в исходное состояние.

Процессы заряда и перезаряда конденсаторов будут чередоваться, создавая незатухающие колебания в мультивибраторе. Обе эквивалентные схемы мультивибратора могут быть объединены в одну (рис. 5.19, в), где транзисторы T1 и Т₂ заменены ключами, которые перебрасываются из одного положения в другое под воздей­ствием напряжения на конденсаторах С₁и С₂. С помощью последней эквивалентной схемы легко построить вре­менные диаграммы напряжений на базах, и коллекторах обоих тран­зисторов (рис. 5.20).

В момент времени t = 0 напряжение на коллекторе и на базе тран­зистора T₁ равно нулю (точки 1, 2).Так как напряжение на конден­саторе С₂ равно |Е_К|, напряжение на базе транзистора Т₂будет равно +Е_К(точка 4), а поскольку U_Б1 = 0, напряжение на коллекторе вто­рого транзистора будет равно нулю (точка 3).В схеме начинается заряд конденсатора С₁со скоростью, определяемой постоянной вре­мени τ ₁ = С₁R_К, и перезаряд конденсатора С₂ со скоростью, определя­емой постоянной времени τ ₂ = С₂R. При этом напряжения на коллек­торе и на базе транзистора Т₂ будут стремиться к - Е_к. В момент времени t = t₁напряжение U₆₂ становится равным нулю. Ключи K₁ и. K₂ мгновенно перебрасываются в правое положение,

Рис. 5.20. Временные диаграммы работы мультивибратора

в результате чего заряженный конденсатор подключается. к базе транзистора T₁, а напряжения на базе первого транзистора и на кол­лекторе второго транзистора скачком изменяются на величину + Е_К. После этого в схеме начинается заряд конденсатора С₂ и перезаряд конденсатора С₁. Только теперь конденсатор С₂ будет заряжаться со скоростью, определяемой постоянной времени τ ₁ = С₂ R_К, а конден­сатор C₁ - перезаряжаться со скоростью, определяемой постоянной времени τ ₂ = С₁R. Напряжения на коллекторе и на базе транзистора T₁ будут стремиться к - Е_к. В момент времени t = t₂, когда напряжение на базе первого тран­зистора становится равным нулю, происходит новый переброс ключей и т. д. Времена Т₁и Т₂определяют с помощью формул, аналогичных (5.16) - (5.18)

(5.19)

Для симметричного мультивибратора длительность полного ра­бочего цикла определяют по формуле T = T₁ + T₂ ≈ 1, 4RC (5.20)

или по более точной формуле

(5.21)

где — параметр, зависящий от I_к0 и е₀.

Относительно стабильности частоты мультивибратора (f =1/Т)можно высказать те же соображения, что и относительно стабильности времени выдержки одновибратора. В большинстве схем.мультивибра­торов нестабильность частоты достаточно высокая.