Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Электронная техника.Ч.2 Схемотехника электронных схем

Самовозбуждающийся мультивибратор с коллекторно-базовыми связями

Схема самовозбуждающегося мультивибратора на биполярных транзисторах состоит из двух ненасыщенных быстродействующих транзисторных ключей, охваченных емкостной связью (выход пер-

вого ключа соединен с входом второго ключа и выход второго ключа — с входом первого ключа), т.е. в схеме создана кольцевая связь между ключами (рис. 11.55). Транзисторные ключи со смещением фиксированным током базы являются нелинейными элементами, а конденсаторы связи образуют межкаскадную резисторно-емкостную коллекторно-базовую ПОС и являются накопителями энергии в переходных процессах (С1 и R4, С2 и R1). Эти условия при построении схемы обеспечивают самовозбуждения схемы при включении источника питания. Выходы ключей являются выходами схемы.

При условии равенства электрических параметров аналогичных элементов в каждом из ключей и связующих конденсаторов мультивибратор считается симметричным и длительности высокого и низкого уровня сигналов на выходах схемы одинаковы. Если подобные элементы схем ключей или конденсаторы связи различны, то схема несимметрична и длительности высокого и низкого уровня сигнала на выходах не равны.

При включении напряжения ?/к на эмиттерных переходах транзисторов (?/Э1; ^эт) созДается прямое смещение, равное напряжению источника питания (/к (?/Э1 = ?/к; иЭ2 ~ и%)- Под действием прямого смещения на эмиттерном переходе разрушается потенциальный барьер и инжектируются носители зарядов в базу и накапливаются для экстракции в коллекторном переходе. Часть носителей зарядов рекомбинируются в базах и протекают базовые токи:

Принципиальная схема самовозбуждающегося мультивибратора с коллекторно-базовыми связями ток / по цепи +t/(_L) ИГ1_ -> — U и ток / по цепи

Рис. 11.55. Принципиальная схема самовозбуждающегося мультивибратора с коллекторно-базовыми связями ток /Б1 по цепи +t/K(_L) ИГ1Э_Б -> — UK и ток /Б2 по цепи

+ t/K(_L) —» VT23_B -> R4 -> — UK. На базовых резисторах R1 и R4 создаются падения напряжения t/R, и t/R4 (полярность показана на рис. 11.55). Напряжение с резистора R1 (URj) создает на коллекторном переходе VT1 обратное смещение, а также прикладывается к RC-цепи на элементах С2 и R3. По законам функционирования RC-цепи в начальный момент времени (/ = 0) все напряжение падает на резисторе R3 (t/R1 = t/R3), которое создает прямое смещение на коллекторном переходе транзистора VT2. Аналогичные процессы происходят и в транзисторном ключе с VT2, т.е. напряжение t/R4 падает на резисторе R2 (t/R2 = ?/R4). В симметричной схеме, когда R4 = R1 при t = 0, существует равенство t/R1 = ?/R2 = t/R3 = t7R4, т.е. на коллекторных переходах обоих транзисторов напряжения обратного и прямого смещения равны. Это дает возможность говорить об отсутствии смещения, так как напряжение прямого смещения на коллекторном переходе VT1 (t/R2) действует встречно с напряжением обратного смещения (— т.е. — ?/R1 = +t/R2, а для VT2 справедливо равенство — t/R4 = + ?/R3.

Таким образом, в начальный момент отсутствуют коллекторные токи и идет накопление носителей зарядов в базовых областях транзисторов. По истечении времени, приблизительно равного 5т, конденсаторы С1 и С2 зарядятся до напряжения соответственно t/R1 и ?/R2 и в базах транзисторов накопится достаточное число носителей зарядов для экстракции в коллекторных переходах. Увеличенное напряжение на конденсаторах С1 и С2 уменьшает напряжения t/R2 и t/R3 на резисторах R2 и R3, что снижает прямое смещение на коллекторных переходах транзисторов. Таким образом, в результате заряда конденсаторов повышается обратное смещение на коллекторных переходах и начинают протекать коллекторные токи транзисторов (транзисторы какое-то время могут находиться в активном режиме).

Однако при этом токи в базовых и коллекторных цепях не равны между собой (/Б1 ф /Б2, /к, ф /К2), соответственно и зарядные токи конденсаторов С1 и С2 будут неодинаковыми, так как элементы схемы (транзисторы, резисторы, конденсаторы), изготовленные в пределах действующих допусков, нарушают абсолютную симметрию мультивибратора. Поэтому, в одном из двух ключей в базе транзистора накопится больше носителей зарядов, чем в другом.

Допустим, что в транзисторе VT1 накопилось больше носителей зарядов в базе, чем в VT2, тогда коллекторный ток /К1 в транзисторе VT1 начинает нарастать быстрее. Из-за этого увеличится напряжение на резисторе R2 (?/R2 = /К1/?2), т.е. потенциал коллектора станет положительным. Напряжение t/R2 действует на дифференцирующую RC-цепь из элементов С1 и R3 встречно с напряжением на обкладках конденсатора С1 (полярность показана на рис. 11.55), вызывая его разряд (/рС1) по цепи: +С1 —» R3 -» -> — ?/к -» ryjj -» ^Т1э-Б-К С1- В результате протека

ния тока разряда (/рС1 на рис. 11.55 показан штриховой линией) конденсатора С1 увеличивается падение напряжения на базовом резисторе R4 (t/R4), что уменьшает прямое смещение на эмиттер- ном переходе и увеличивает обратное смещение на коллекторном переходе транзистора VT2 (U32 = UK — UR4; UK2 = ~Ur4 + ^3)-

Таким образом, в схеме действует коллекторно-базовая емкостная связь между коллектором VT1 и базой VT2 через RC-цепь из С1 и R4. Так как сигнал связи приводит к дальнейшему закрытию слабо открытого транзистора (активный режим), то связь оказывается положительной (ПОС).

Уменьшение прямого смещения на эмиттерном переходе VT2 снижает инжекцию носителей зарядов в базу, а увеличение напряжения обратного смещения на коллекторном переходе ускоряет рассасывание носителей зарядов из базы в коллектор и ускоряет переход транзистора в режим отсечки, т.е. к закрытию VT2. В закрытом состоянии VT2 потенциал его коллектора равен отрицательному потенциалу источника, т.е. — UK, что увеличивает разность потенциалов на обкладках конденсатора и его подзарядку по цепи: +t/K -> УТ1Э_Б -> С2 -» R3 —» — t/K. По этой цепи также осуществляется колл екторно-базовая резисторно-емкостная ПОС транзистора VT2 с VT1, приводящая к переходу транзистора VT1 в режим насыщения.

В таком состоянии схема мультивибратора не может находиться длительное время, т.е. состояние неустойчивое, его длительность определяется временем разряда конденсатора Cl (/рС1 » C2R4). После разряда конденсатора С1 отсутствует напряжение на базовом резисторе R4 ( ?/r4) и на эмиттерный переход VT2 будет действовать только напряжение источника питания UK. В этот момент транзистор VT2 откроется и начнет протекать базовый ток, при протекании которого с резистора R4 действует напряжение обратного смещения на коллекторный переход (?/R4 = /Б2^4). В этом случае транзистор VT2 открывается и увеличиваются токи /Б2 и /К2. Ток /Б2 создает падение напряжения (t/R4) на R4, которое прикладывается к RC-цепи из С1 и R2 и заряжает конденсатор С1. Падение напряжения t/R3 на коллекторном резисторе R3 вызывает разряд конденсатора С2 через R1, источник напряжения питания UK и транзистор VT2. Ток разряда конденсатора С2 увеличивает падение напряжения t/R1 на базовом резисторе R1, и транзистор VT1 закрывается так же, как транзистор VT2 в исходном состоянии. Это еще раз подтверждает ПОС в схеме — передача положительного потенциала с коллектора VT1 на базу VT2.

Таким образом, транзистор VT2 открывается, a VT1 закрывается в результате разряда С2. Потенциал закрытого транзистора VT1 становится отрицательным, что повышает разность потенциалов на обкладках конденсатора и происходит его подзаряд. Схема переходит в новое неустойчивое состояние до полного разряда С2. В последующем будет происходить периодическая смена состояний транзисторов и конденсаторов с образованием на двух выходах схемы мультивибратора импульсов противоположной полярности: положительный импульс на выходе открытого транзистора, отрицательный — на выходе закрытого транзистора.

Процессы, происходящие в цепях симметричного самовозбужда- ющегося мультивибратора, рассмотрим на диаграммах напряжений (рис. 11.56). В момент включения напряжения (/0) на базах и коллекторах транзисторов имеется отрицательный потенциал, равный — UK, и начинается инжекция в эмиттерных переходах. В момент времени t0—ц потенциалы базы и коллектора транзисторов VT1 и VT2 становятся положительными по сравнению с первоначальным моментом времени t0, что ведет к накоплению носителей зарядов в базах. Такое состояние неустойчиво, так как нет элементов схем с абсолютно одинаковыми параметрами. Допустим, что базовый ток VT1 больше базового тока VT2, что указывает на более интенсивное нарастание положительного потенциала на базе VT1 (tQ—t2 на рис. 11.56, а и б). Нарастающий положительный потенциал базы VT1 через цепь связи С2 и R3 передается на коллектор VT2, замедляя нарастание тока коллектора VT2 и положительного потенциала на коллекторе и базе (/0—^ на рис. 11.56, в, г). В момент времени транзистор VT1 скачком переходит в режим насыщения, a VT2 — в режиме отсечки, и прекращается активный режим работы ключевых схем. Это состояние соответствует открытому транзистору VT1 и закрытому VT2. За счет открытого состояния транзистора VT1 происходит подзаряд конденсатора С2. Цепь заряда конденсатора С2: + UK -* -» УТ1Э.Б -> С2 -> R3 -> -UK.

Временные диаграммы напряжений в схеме симметричного са- мовозбуждающегося мультивибратора

Рис. 11.56. Временные диаграммы напряжений в схеме симметричного са- мовозбуждающегося мультивибратора

Падение напряжения на открытом транзисторе VT1 в режиме насыщения составляет около 0,3 В, поэтому при полностью открытом транзисторе VT1 потенциал на его коллекторе равен UKl = —0,3 В (рис. 11.56, б). Так как транзистор VT1 открылся, то на левой обкладке конденсатора С1 зафиксируется положительный потенциал, который вызовет разряд конденсатора С1 (цепь разряда написана выше). К базовому резистору R4 приложена сумма двух напряжений — напряжения источника UK и напряжения на конденсаторе С2, приблизительно равное t/K, т.е. действует удвоенное напряжение (« 2 UK). На базе транзистора VT2 действует скачок напряжения ?/Б2 от 0 до +UK, как результат падения напряжения на резисторе R4 при прохождении тока разряда /рС1. В течение времени t{разряда конденсатора С1 на базу транзистора VT2 подается положительный потенциал, потенциал базы оказывается выше потенциала эмиттера, транзистор VT2 закрыт и ток базы (/Б2) равен нулю.

В это же время происходит заряд конденсатора С2 через открытый транзистор VT1, и потенциал базы VT1 приблизительно равен нулю (фБ1 а +(/к), так как +UK в отрицательной логике является нулевым потенциалом. На выходе 2 в интервале времени t{—/3

образуется импульс отрицательной полярности (рис. 11.56, г). Напряжение на этом выходе изменяется по экспоненте, время действия которой определяется по формуле (5т3 = 5C2R3), где т3 — время заряда конденсатора, а затем становится равным UK. Активная длительность импульса определяется на уровне 0,5 от максимальной амплитуды по формуле /иА =0,7С2/?1. На коллекторе открытого транзистора в интервале времени t{—/3 (выход 1) поддерживается нулевой потенциал, т.е. формируется положительный (нулевой) импульс (рис. 11.56, б). Ток в цепи базы открытого транзистора VT1 состоит из двух слагаемых: постоянного тока базы /Б1 = UK/R в течение полупериода t^—t^ и изменяющегося по экспоненциальному закону зарядного тока /зС2 конденсатора С2. В результате разряда конденсатора С1 потенциал базы транзистора VT2 в момент времени t3 станет равным нулю (см. рис. 11.56, в). Этого достаточно, чтобы открылся транзистор VT2 и появился ток базы /Б2, а затем и ток коллектора /К2- В результате потенциал коллектора VT2 скачком увеличивается приблизительно до нуля и становится положительным с допуском падения напряжения на открытом транзисторе, равным ~ 0,3 В. Положительный (нулевой) потенциал на коллекторе открытого транзистора VT2 (за счет падения напряжения на резисторе R3) вызывает разряд конденсатора С2 и скачок напряжения Ubl от нуля до +t/K на базе VT1 (см. рис. 11.56, а), в результате чего ток базы (/Б1) уменьшается. Все процессы для второго полупериода работы мультивибратора аналогичны процессам первого полупериода. Следует только отметить, что в интервале времени /3—/5 изменилась полярность сигналов на выходах: положительный потенциал на выходе 2 (коллектор VT2) (см. рис. 11.56, г) и отрицательный на выходе 1 (см. рис. 11.56, б).

В результате на выходах мультивибратора появляется непрерывная серия импульсов, имеющих противоположную полярность в один момент времени в зависимости от выхода. Длительности импульсов /и1 и /и2 определяются временем перезаряда конденсаторов С1 и С2 и практически равны

Тогда период колебаний равен Т « 0,7(C2i?l + C1R4). В симметричном мультивибраторе при Cl = С2 и RB = Rl = R4 длительности полупериодов одинаковы. Для положительных импульсов на одном из выходов мультивибратора интервал (паузу) можно считать отрицательным импульсом, т.е. интервал для положительных импульсов является отрицательным импульсом, и наоборот, т.е. для отрицательных импульсов интервал можно считать положительным импульсом. В момент действия положительного импульса на одном выходе мультивибратора отрицательный импульс действует на другом выходе. Если схема несимметрична, то период следования импульсов определяется по формуле Т = 1,4/?БС, а скважность равна Q = 2.

Основной недостаток самовозбуждающегося мультивибратора состоит в том, что фронты выходных импульсов напряжения имеют существенную нелинейность, связанную с зарядом и разрядом конденсаторов. Для отрицательных импульсов нелинейным является передний фронт импульса, а для положительных — задний фронт импульса, что не обеспечивает строго прямоугольной формы импульсов напряжения на выходах схемы. В этом случае активная длительность импульса Ц^) и паузы Ц^), измеренные на уровне 0,5 ?/к, не равны в схеме симметричного мультивибратора (рис. 11.56, б). Для получения прямоугольных импульсов в схеме самовозбуждающегося мультивибратора необходимо отделить выходы схемы от RC-цепей.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы