Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
5. МУЛЬТИВІБРАТОР
Мультивібратор - це генератор періодичних імпульсів, що за формою близькі до прямокутних. Мультивібратор лежить в основі цілої сім’ї радіоелектронних пристроїв, що служать для роботи з несинусоїдальними імпульсами різних форм: прямокутної, трикутної пилкоподібної форми, тощо.
Мультивібратор являє собою двокаскадний - підсилювач, охоплений стопроцентним позитивним зворотним зв’язком (рис.5.1а). Звичайно мультивібратор зображають у вигляді симетричної схеми (рис.5.1б). Однак навіть тоді, коли всі елементи схеми повністю симетричні, ця схема у симетричному режимі перебувати не може. Кожний з каскадів інвертує сигнал і тому випадково виникла флюктуація, пройшовши через обидва каскади, повернеться у вихідну точку з попередньою полярністю, але підсиленою у разів, де - коефіцієнт підсилення кожного з каскадів. Так, наприклад, якщо з якоїсь причини струм першого транзистора зменшиться, то це спричинить збільшення напруги на його колекторі. Стрибок напруги пройде через ємність на базу другого транзистора і призведе до збільшення цого колекторного струму і зменшення колекторної напруги. Підсилений стрибок напруги через ємність потрапить на базу транзистора і призведе до подальшого зменшення струму .1 Цей процес буде розвиватися в геометричній прогресії, лавиноподібно і а в решті-решт призведе до повного запирання транзистора та відкривання (можливо, до повного насичення). При цьому один з транзисторів (або обидва разом) втрачають здатність до керування, і розвиток лавиноподібного процесу обривається. Встановлюється режим, який виявляється тимчасово стійким, і схема може перебувати в ньому певний проміжок часу.
Якісний розгляд роботи мультивібратора
Простежимо тепер за зміною напруги на базі транзистора , який щойно закрився. Ця напруга дорівнює . Однак, оскільки ми вважаємо, що відкритий до насичення, напруга мало відрізняється від нуля і отже можна вважати, що . Нехай в початковий момент напруга на дорівнює . Тоді і =. З часом ємність буде перезаряджатися від джерела живлення через резистор та відкритий транзистор . Напруга на буде поступово прямувати до , змінюючись за законом
(5.1)
де (внутрішнім опором джерела живлення та транзистора нехтуємо). Цей хід напруги зображено на рис.5.2.
Доки ця напруга залишатиметься негативною, вона буде утримувати транзистор в закритому стані. Але в момент напруга досягнуть нуля і перейде через нього. Напруга на базі стане позитивною і він відкриється2. Це спричинить лавиноподібний процес, в результаті якого відкриється, а закриється. Далі процес буде циклічно повторюватися.
Для того, щоб уявити собі хід процесів у всій схемі в цілому, розглянемо систему епюр, що зображають одночасні зміни напруг як на базах, так і на колекторах обох транзисторів (рис.5.3).
Коли один з транзисторів відкривається, його колекторна напруга стрибком зменшується від до напруги насичення , яка складає звичайно кілька десятих вольта. При запиранні транзистора колекторна напруга знову зростає до . Таким чином, напруга на колекторі кожного з транзисторів має являти собою періодичні імпульси прямокутної форми величиною . Напруга на базах визначається процесами перезарядження ємностей і через резистори і і має вигляд імпульсів за формою близькою до трикутної.
Наведену картину слід доповнити деякими уточненнями. Так, після запирання починається відновлення заряду на ємності . Струм через неї потече в зворотному напрямку через і емітерно-базовий перехід транзистора , який щойно відкрився. Цей процес буде відбуватися зі сталою часу і закінчиться тим, що напруга на досягне значення (напругою відкритого емітерно-базового переходу нехтуємо). Однак, поки цей процес триватиме, через буде протікати струм і напруга на колекторі буде залишатися дещо нижчою від . Тому передній фронт імпульсу напруги виявляється зкругленим і напруга встановиться рівною лише тоді, коли мине час порядку .
Одночасно при протіканні струму, що заряджає ємність через базово-емітерний перехід , на останньому буде створюватися невеликий позитивний імпульс напруги , який викличе невеличке додаткове збільшення струму і короткочасне зменшення напруги 3.
Все це буде справедливим і для перезарядження ємності , коли закритим буде транзистор .
Кількісні оцінки що до роботи мультивібратора
а) Величина стрибка напруги на колекторі і, отже, величина згенерованого імпульсу колекторної напруги буде
б)Тривалість імпульсів визначається часом знаходження одного з транзисторів в закритому стані (наприклад, ).
Перший транзистор буде знаходитися у закритому стані протягом проміжку часу , доки напруга на його базі , яка практично дорівнює , залишатиметься негативною. Для оцінки цього часу слід скористатися виразом (5.1). При цьому напругу слід вважати рівною , бо за час перезарядження ємність повинна встигнути відновити свій заряд і зарядитися до повної напруги джерела живлення . Отже,
(5.2)
і інтервал часу може бути визначений з умови . Це дає
. (5.3)
Аналогічно , так що весь період роботи мультивібратора дорівнюватиме
(5.4)
в) Зроблене вище припущення про те, що за час перебування транзистора у закритому стані ємність встигне перезарядитися до буде виконане лише у випадку, коли або ж
(5.5)
(практично «запас» нерівності (5.5) може бути . Якщо нерівність (5.5) не буде виконано, напруга буде меншою від і напівперіод буде коротшим, аніж це дає вираз (5.3). Нерівність аналогічну (5.5) слід дотримувати також і для другого напівперіоду
(5.5а)
З цих міркувань висновується, що важко зробити мультивібратор, в якого б напівперіоди і сильно відрізнялися б один від одного, бо відповідна ємність не буде встигати відновлювати свій заряд за коротший напівперіод4. Найкраще працює мультивібратор, якщо напівперіоди однакові ( у так званому режимі меандра).
г) Для того, щоб транзистор, який відкривається (наприклад ), дійсно знаходився у насиченому стані, необхідно виконати умову 5.Оскільки можна вважати, що і , виконання цієї умови гарантується нерівністю
(5.6)
і аналогічно ,
де запас рекомендується брати не більшим як . При більшому запасі відкритий транзистор буде знаходитися у глибокому насиченні і при закриванні буде надто повільно виходити з цього стану. А це призведе до затримки лавиноподібного процесу і затягне тривалість фронтів імпульсів.
д) Нарешті, природно, мають бути виконані умови, за якими напруги живлення і струми через транзистори не повинні перевищувати допустимих значень
(5.7)
Використовуючи наведені нерівності можна розрахувати мультивібратор і оцінити величини елементів, що його складають.
Очікувальний мультивібратор
Розглянутий вище мультивібратор має два тимчасово-стійких стани, в яких він утримується перехідними процесами в ланцюгах і . З одного стану в інший мультивібратор переходить стрибком шляхом лавиноподібного процесу.
Однак існує різновид мультивібраторної схеми, яка має один постійно-стійкий стан і один тимчасово-стійкий стан. Звичайно схема знаходиться у постійно-стійкому стані, але під дією короткого пускового імпульсу переходить у збуджений тимчасово-стійкий стан. По закінченню певного часу схема виходить з цього стану і повертається в постійно-стійкий стан. Подібна схема має назву одновібратора, унівібратора, моновібратора, очікувального або затриманого мультивібратора.
Перетворити розглянутий вище мультивібратор на очікувальний можна досить просто: варто лише відключити один з резисторів RБ від позитивної шини живлення і приєднати його до джерела від'ємної напруги EБ (рис. 5.4). Тоді транзистор VT2 буде звичайно закритим, а VT1 – відкритим. Але при надходженні на базу VT2 досить великого пускового імпульсу, який би "пересилив" запірну напругу, транзистор VT2 відкривається, і в схемі розвивається лавиноподібний процес, в результаті якого транзистор VT2 стає відкритим, а VT1 закривається. Час перебування VT1 у закритому стані визначається сталою часу кола
.
Після цього VT2 закривається, і лишається закритим до наступного пускового імпульсу. Таким чином, з усієї картини, зображеної на рис. 5.3, тут виробляється лише один напівперіод, який відповідає напівперіоду, позначеному там як 2.
Схема, зображена на рис. 5.4, має один істотний недолік: вона потребує додаткове джерело живлення ЕБ . Цей недолік усунено в схемі з емітерним зв'язком (рис. 5.5а), де напруга, що постійно підтримує транзистор VT1 у закритому стані, виробляється на опорі RE за рахунок протікання через нього струму постійно відкритого транзистора VT2. При надходженні пускового імпульсу транзистор VT1 відкривається, а VT2 – закривається. Тривалість перебування VT2 в закритому стані визначається сталою часу RБС. Через час транзистор VT2 відкривається і своїм емітерним струмом знову закриває VT1.
Ця схема має ще й ту перевагу, що в колекторному колі відсутня ємність. Завдяки цьому вихідні імпульси, що їх виробляє такий мультивібратор, мають добру прямокутну форму (рис. 5.5б).
Очікувальні мультивібратори застосовуються в тих випадках, коли у відповідь на довільний пусковий імпульс треба виробити імпульс "стандартної" прямокутної форми і тривалості.
Мультивібратор на мікросхемах.
Зараз для побудови мультивібраторів часто застосовують універсальні логічні елементи "АБО-НЕ" або "І-НЕ". Дійсно, в цих мікросхемах вже міститься готовий інвертор, який являє собою не що інше, як підсилювальний каскад, який працює в ключовому режимі. Схему мультивібратора на логічних елементах "АБО-НЕ" зображено на рис. 5.6. Входи елементів з'єднані, щоб створити з елемента "АБО-НЕ" простий інвертор. RC-ланцюги утворюються ємностями C1 і C2 та резисторами R1 і R2. Намалювавши принципову схему цих логічних елементів, можна впевнитись у тому, що ця схема тотожна зображеній на рис. 5.1б. Аналогічним чином можна скласти схему мультивібратора і з елементів "І-НЕ".
Наявність двох або більшого числа входів логічних елементів дозволяє гнучко керувати їх роботою. Використовуючи ці входи, можна без особливих труднощів скласти схему унівібратора, що спрацьовує від пускового імпульсу.
Мультивібратор на операційному підсилювачі
Наприкінці розглянемо мультивібратор, створений на основі операційного підсилювача (ОП) (рис. 5.7а). Робота цієї схеми базується на "конкуренції" позитивного зворотного зв'язку через дільник R1R2 і "затриманого" негативного зворотного зв'язку через ланцюг RC. Звичайно ОП знаходиться в режимах насичення: верхнього, коли більше нуля, або нижнього , коли , і переходить з одного в другий, коли змінює знак.
Нехай, наприклад, ОП знаходиться в режимі верхнього насичення (рис. 5.8). Напруга на неінвертуючому вході , де – коефіцієнт позитивного зворотного зв'язку. Нехай ємність С перезаряджається від деякого початкового значення , прямуючи до . Але в момент, коли доросте до величини і трохи перевищить її, різниця різниця вхідних напруг змінить свій знак на негативний, ОП перейде в нижній режим насичення, і стане рівним . Тепер ємність С знову буде перезаряджатися від позитивних значень до негативних, прямуючи до . Але, досягнувши значення , напруга тим самим перетворить різницю на позитивну, що знову переведе ОП в верхній режим насичення. Далі цей процес періодично повторюватиметься.
У подібного мультивібратора позитивний і негативний напівперіоди дорівнюють один одному (меандр). Якщо бажано зробити їх різними, замість резистора R слід увімкнути схему, зображену на рис. 5.7б, яка має різний опір в протилежних напрямках.
Деякі вдосконалення схем мультивібраторів.
Недоліком мультивібратора як генератора прямокутних імпульсів є те, що передній фронт його імпульсів є закруленим, не гострим (рис.5.3). Для покращання форми імпульсів та їх наближення до прямокутної форми застосовують деякі вдосконалені схеми мультивібраторів.
а) Мультивібратор з фіксуючими діодами.
|
|
В цій схемі (рис.5.9) завдяки діодам, приєднаним до колекторів транзисторів, зростання колекторної напруги обмежується фіксуючою напругою . При перевищенні колекторної напруги або над відповідний діод відривається і зростання колекторної напруги припиняється. Закруглення фронту стає менш помітним, але амплітуда генерованих імпульсів зменшується і визначається тепер вже не , а меншим від .
б)Мультивібратор з комутуючими діодами.
|
Особливістю схеми такого мультивібратора є те, що в ньому з метою покращання фори генерованих імпульсів у кола колекторів поставлені ще діоди та опори. Коли транзистор є закритим, то струм, що перезаряджає ємність і утримує в закритому стані, іде від джерела через опір , ємність , діод і відкритий транзистор . |
Коли ж транзистор закривається, напруга на його колекторі стає одразу ж більшою, ніж напруга в точці «а», і діод закривається . Струм, що відновлює заряд ємності , протікає тепер через , ємність і базово-емітерний перехід відкритого . Цей стум обминає опір(бо діод закритий) і тому в момент закривання напруга на його колекторі відразу зростає до . Отже, імпульси, що утворюються на колекторах транзисторів, будуть чисто прямокутними з різкими фронтами.
в) Мультивібратор з повтроюючим транзистором
Для одержання імпульсів доброї прямокутної форми паралельно до входу одного з транзисторів мультивібратора (наприклад, VT2) підключається ще один транзистор VT3 (рис. 5.11). Він буде відкриватися і закриватися разом з VT2. Але оскільки до його колектора не підключена ємність (хіба що тільки – паразитна), то обидва фронти імпульсу виявляються досить різкими
Діод D ставиться для того, щоб зменшити опір відкритих базово-емітерних переходів VT2 та VT3 і зменшити таким чином позитивний викид базової і негативний викид колекторної напруги в момент відкривання цих транзисторів.
г) Генерація періодичних імпульсів з великою шпаруватістю. Як було вказано вище, за допомогою мультивібратора не вдається одержати імпульсів з великою шпаруватістю, тобто з великим співвідношенням тривалості напівперіодів 1 і 2. Для одержання імпульсів, у яких тривалість одного напівперіоду сильно відрізнялася б від тривалості другого (наприклад, ), можна скористатися системою, блок-схема якої зображена на рис. 5.12а.
Генератор імпульсів хорошої прямокутної форми виробляє імпульси – меандри з періодом Т. Диференцююча комірка диференціює ці імпульси і виробляє короткі експоненціальні імпульси позитивної та негативної полярностей. Негативні імпульси можна усунути за допомогою діода D. Короткі позитивні імпульси, що відповідають передньому фронту імпульсів від попереднього мультивібратора, запускають очікувальний мультивібратор, котрий виробляє прямокутні імпульси тривалістю , яка може бути набагато меншою за період Т.
д) Затримка імпульсів у часі. В радіоелектроніці досить часто виникає потреба затримати імпульс у часі, тобто відтворити його на виході якогось чотириполюсника через час Т після того, як він потрапив на вхід цього ж чотириполюсника. Ця процедуру можна виконати за допомогою блок-схеми, зображеної на рис. 5.13а.
Вхідні імпульси (1) потрапляють на очікувальний мультивібратор А, котрий виробляє прямокутний імпульс (2), тривалість якого Т має дорівнювати бажаній затримці часу. Цей імпульс диференціюється (3). Одержаний від диференціювання заднього фронту імпульсу (2) короткий негативний імпульс інвертується. Виниклий при диференціюванні позитивний імпульс можна усунути за допомогою діода D. Одержаний після інвертування негативного імпульсу позитивний імпульс (4) запускає очікувальний мультивібратор Б, який і виробляє затриманий імпульс (5).
Слід підкреслити, що одержаний імпульс (5) аж ніяк не повторює форму вхідного імпульсу (1), а є лише його "замісником", створеним з затримкою часу Т.
е) Синхронізація мультивібраторів.. Інколи виникає потреба «нав’язати» мультивібратору період від якогось іншого, зовнішнього джерела періодичних сигналів. Така потреба виникає, наприклад, у осцилографах для того, щоб картинка на екрані стояла нерухомо. Оскільки горизонтальна розгортка в осцилографах формується, звичайно, схемами типу мультивібратора, то треба примусово синхронізувати цей мультивібратор з зовнішнім синхронізуючим сигналом, так щоб період мультивібратора дорівнював (або був кратним) періоду цього сигналу.
З цією метою період мультивібратора роблять трохи більшим за період синхронізуючого сигналу і додають напругу цього сигналу до базової напруги у мультивібраторі (рис. 5.14). В момент позитивного викиду синхронізуючого сигналу він обриває плавне зростання напруги UБ і примушує мультивібратор достроково спрацювати. Таким чином, мультивібратору нав'язується період синхронізуючого сигналу.
Контрольні питання до розділу
"Мультивібратор".
Чому навіть при повністю симетричній схемі мультивібратор не може перебувати в симетричному режимі?
Яким процесом визначається час перебування одного з транзисторів (наприклад, VT1 ) в закритому стані? Оцініть цей час.
Як працював би мультивібратор, якби верхні кінці резисторів та були підключені не до джерела напруги Е , а до джерела більш високої позитивної напруги? Як би це відбилось на періоді коливань?
Чому передній фронт імпульсів колекторної напруги має закруглену форму (рис.5.3), тоді як задній фронт різкий?
Чим можна пояснити невеликий позитивний викид напруги UБ, який з'являється в момент відпирання транзистора? Чим визначається тривалість цього викиду?
На рис.5.3 напруга UБ на базі відкритого транзистора зображена майже рівною нулеві. Яка вона в дійсності?
Чи зможе мультивібратор працювати, якщо не буде виконуватись умова насичення відкритого транзистора?
Які наслідки недостатньо хорошого виконання нерівностей (5.5) та (5.5а)? Як це відіб'ється на періоді мультивібратора?
Чому в мультивібраторі звичайно не вдається одержати імпульси з великою шпаруватістю?
Чому у мультивібраторах не рекомендується брати великий запас для виконання умови насиченості транзистора?
Як, на вашу думку, можна вдосконалити мультивібратор, щоб і передній і задній фронти генерованих ним імпульсів були різкими?
Покажіть, як можна перетворити періодичний мультивібратор в очікувальний?
Чому в очікувальному мультивібраторі з емітерним зв'язком (рис.5.5) передній фронт вихідного імпульсу різкий, а не закруглений як у звичайного мультивібратора з емітерно - базовими зв’язками ?
Запропонуйте спосіб керування величиною порогу спрацювування очікувального мультивібратора з емітерним зв'язком (рис.5.5), який запускається позитивним пусковим імпульсом?
Чим визначається проміжок часу після закінчення вихідного імпульсу, коли очікувальний мультивібратор з емітерним зв'язком стане знову придатним для спрацювання від наступного пускового імпульсу?
Як резистор R в схемі, зображеній на рис.5.7, впливає на період коливань?
Задачі до розділу
"Мультивібратор"
У симетричному мультивібраторі RБ = 40 кОм; RK = 5 кОм; C = 1000 пФ; Чому дорівнює період роботи мультивібратора? Чи виконується умова перезарядки ємності та умова насичення відкритого транзистора ?
Зробіть розрахунок елементів схеми несиметричного мультивібратора. Прийняти: Um=12 В; період мультивібратора T = 600 мкс; відношення тривалості напівперіодів = 1,2; IK max = 10 мА; = 20.
Складіть блок-схему та принципову схему пристрою, який створював би прямокутний імпульс тривалістю 1. Передній фронт цього імпульсу повинен бути затриманим відносно пускового імпульсу на час 2.
Визначте амплітуду та тривалість вихідного імпульсу очікувального мультивібратора з емітерним зв'язком, зображеного на рис.5.5. Якою повинна бути величина (у вольтах) пускового імпульсу, який був би спроможним запустити мультивібратор? Прийняти: E = 20 В; = 18 кОм; = 2 кОм; =7 кОм; RE =3 кОм; RБ =100 кОм; С = 0,01 мкФ.
1 Слід зауважити, що хоча режими транзисторів під час цих стрибків істотно змінюються, напруги на конденсаторах і ( і заряди на них) не можуть зазнавати миттєвих змін і тому зберігають своє попереднє значення. Це означає, що напруга на базі дорівнюватиме , де і . Отже, і ця негативна напруга на базі першого транзистора буде зберігатися.
2 Насправді транзистор відкривається, коли напруга на його базі буде позитивною та перевищить - потенціал відкривання транзистора. Але цей потенціал складає лише кілька десятих вольта і ним можна у першому наближенні знехтувати.
3 Ці останні ефекти будуть майже непомітними, якщо транзистор буде відкритим до насичення.
4 Використовуючи умови (5.5) і (5.6) можна показати, що для успішної роботи несиметричного мультивібратора має бути виконана вимога .
5 Величину можна вважати близькою до відповідного.