Тема 12. Електронна схемотехніка

Мультивібраторы.

Мультивібратор (від латинських слів multira — багато і vibro — коливаю) – генератор, релаксації імпульсів майже прямокутної форми, виконаний у вигляді підсилювального пристрою з ланцюгом позитивного зворотного зв'язку (ПОС). Розрізняють два види мультивібраторів автоколивальні (не володіють станом стійкої рівноваги) і чекаючі (володіють одним станом стійкої рівноваги і тому часто називаються одновибраторы).

Принцип функціонування мультивібраторів розглянемо на прикладі схеми з колекторно-базовими зв'язками. Схема автоколивального мультивібратора даного типа приведена на мал. 12.1, а.. Дана схема фактично повторює схему симетричного трігера. Відмінність полягає лише в тому, що зв'язки між схемами комутації, як пряма, так і зворотна, виконані не по постійному, а по змінному струму. Це якісно міняє властивості пристрою, оскільки на відміну від симетричного трігера у схеми немає стійких станів рівноваги, в яких вона знаходиться скільки завгодно тривалий час. Натомість існують два стани квазістійкої рівноваги, в кожному з яких схема може знаходитися строго фіксований час. Цей час залежить від перехідних процесів, що протікають в схемі. Тому в стані квазістійкої рівноваги струми і напруги елементів схеми в загальному випадку не залишаються постійними. Робота пристрою зводиться до постійної сміху цих станів, що супроводжується формуванням на виході напруги, близької формою до прямокутної напруги.

Роботу мультивібратора розглянемо з використанням тимчасових діаграм, приведених на мал. 12.1, би.

Припустимо, що у момент tо відбувається чергове перемикання мультивібратора, і транзистор VT1 потрапляє в режим насичення, а VT2— у режим відсічення. З цієї миті в схемі починають протікати два самостійні процеси, пов'язані з перезарядом місткостей С1 і С2.

Мал. 12.1. Схема симетричного мультивібратора (а) і тимчасові діаграми, що пояснюють його роботу (б)

До моменту tо, конденсатор С2 повністю розряджений і після насичення транзистора VT1 починається заряд цього конденсатора через резистор R_K2.

Оскільки конденсатор С2 через емітерний перехід насиченого транзистора VTI шунтує коллектор-эмиттерные виведення транзистора VT2, то процес його заряду визначає швидкість зміни колекторної напруги транзистора VT2. Вважаючи, що процес заряду закінчується в момент U_с2=0,9 Un для тривалості фронту колекторної напруги транзистора справедливо вираз

Другий процес в схемі пов'язаний з розрядом раніше зарядженого майже до напруги живлення Un конденсатора С1. Цей розряд відбувається через насичений транзистор VT1, джерело живлення Un і резистор R_б2. Оскільки VТ1 насичений, то U_бе2 = U_c1 і VT2 надійно замкнутий.

Процес розряду конденсатора С1 закінчується в мить, коли U_c1 = 0 і тривалість розряду конденсатора, а тим самим і тривалість імпульсу визначається выраженим:

Аналогічно одержуємо:

З даного виразу визначаємо тривалість періоду і, відповідно, частота повторення імпульсів на виході мультивібратора.

.

У симетричній схемі: тому одержуємо:

Частота вихідної напруги симетричного автоколивального мультивібратора не залежить від напруги живлення і повністю визначається параметрами його елементів.

Що чекає мультивібратор.

Для перекладу розглянутої схеми в режим чекаючого мультивібратора необхідно, щоб один з його квазістійких станів рівноваги став стійким. Цього можна добитися, якщо, наприклад, хоч би один зв'язок між схемами комутації по змінному струму замінити зв'язком по постійному струму. Схема такого пристрою приведена на мал. 12.2, а..

Стійким є стан, при якому транзистор VT\ насичений струмом, що протікає через резистор R_б1. При цьому конденсатор С2 заряджений практично до напруги живлення, а конденсатор С1 розряджений. Транзистор VT2 замкнутий, що забезпечується подачею на його емітерний перехід через резистор Rсм напруги зсуву (—Uсм). Очевидно, що цей стан может.сохраняться скільки завгодно довго, оскільки при цьому струми і напруги всіх елементів схеми незмінні в часі.

Запуск чекаючого мультивібратора здійснюється подачею на емітерний перехід транзистора VT2 через резистор Rвх імпульсу позитивної полярності. Параметри цього імпульсу (амплітуда і тривалість) вибираються з умови короткочасного прочинення транзистора VT2. Новий стан схеми є квазістійким, оскільки воно підтримується лише до тих пір, поки на базі транзистора VT1 присутня замикаюча напруга, тобто поки не розрядиться конденсатор С2.

Р

Мал. 12.2. Схема чекаючого мультивібратора (а) і тимчасові діаграми, що пояснюють його роботу { б)

В результаті єтого визначається тривалість вихідного імпульсу:

Швидкість зміни напруги при замиканні VT1 визначається процесом заряду конденсатора З. Тому тривалість фронту:

Для повернення схеми в початковий стан необхідно якийсь час, зване часом відновлення tBOC. Цей час визначається процесом заряду конденсатора С2 до напруги живлення і визначається виразом:

Якщо наступний запускаючий імпульс з'явиться на вході схеми раніше, ніж закінчиться інтервал відновлення, на виході мультивібратора буде сформований імпульс тривалістю, меншою ніж tH, визначеної відповідно до виразу, показаного вище.

Проведений аналіз показує, що в чекаючому мультивібраторі конденсатор С2, як і в автогенераторній схемі, виконує роль времязадающего конденсатора, що визначає тривалість вихідного імпульсу всього пристрою. Конденсатор С1 є таким, що форсує. Він, як і конденсатори в трігері, лише прискорює процес перемикання транзисторів схеми і, тому може бути відсутнім.

Мультивібратори на базі ОП.

Генератори коливань прямокутної форми - мультивібратори - будують, охоплюючи операційний підсилювач колами позитивного і негативного зворотних зв'язків. При цьому коло позитивного зворотного зв'язку забезпечує лавиноподібний перехід пристрою з одного стану в інший, а коло негативного зворотного зв'язку визначає час перебування пристрою в кожному із станів. У даній главі досліджується мультивібратор, схема якого зображена на мал. 12.3.

Рис.12.3.

Цей мультивібратор можна розглядати як тригер Шмітта, вихідна напруга якого використовується для заряду конденсатора і при цьому напруга на конденсаторі є для тригера Шмітта вхідною. Елементи C1 і R2 утворюють коло негативного зворотного зв'язку, а елементи R1 і R3 – позитивного зворотного зв'язку.

Всякий раз, коли напруга на конденсаторі стає по модулю більшою за напругу на неінвертуючому вході ОП, в тригері відбувається зміна полярності вихідної напруги.

Часові діаграми роботи мультивібратора показані на рис.12.4. Тут суцільною лінією показана вихідна напруга (u_вих), штриховою лінією - напруга на конденсаторі (u_c), а пунктирної - напруга на неінвертуючому вході ОП (u₂).

Рис.12.4.

Вихідний сигнал мультивібратора є серією прямокутних імпульсів. У прямокутному імпульсі прийнято розрізняти такі ділянки (рис. 12.5): фронт (АВ), вершину (ВС), зріз (СД), основу (АД). Основними параметрами вихідного сигналу мультивібратора є: амплітуда U_m, тривалість фронту t_ф, тривалість зрізу t_зр, період Т і зворотна йому величина – частота f, тривалість імпульсу t₁, тривалість паузи t₂, шпаруватість Q.

Рис.12.5.

Шпаруватістю Q називається відношення періоду T до тривалості імпульсу t₁:

.

Інтервали часу t₁ і t₂ залежать від позитивного U+ і негативного

значень напруги насичення операційного підсилювача, від добутку R2 і C1, а також від коефіцієнта позитивного зворотного зв'язку

Якщо модулі позитивного і негативного значень напруги насичення рівні: /U- /=/U+,/ то t₁=t₂, а період коливань

Перелік основної та додаткової літератури

Основна:

1. Опадчий Ю.Ф и др. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс. Учебник для ВУЗов). М.: Горячая линия-Телеком, 2000. - 768 с.

2. Скаржепа В.А. и др. Электроника и микросхемотехника. В 2-х частях. Электронные устройства информационной автоматики.: Учебник / Под общей ред. А.А.Краснопрошиной. - К.: Вищ. шк. - 1989.

3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. Учеб. пособ. - М.: Высш. шк. 1991.

Додаткова:

4. Жеребцов И.П. Основы електроники. Л.: Энергоатомиздат, 1990.-352 с.

5. ЕфимовИ.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. 1987.

6. Алексенко А.Г., Шагурин А.А. Микросхемотехника/ под ред. И.П.Степаненко. М.: Радио и связь. 1982. - 416 с.

7. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И.Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985.- 256 с.

8. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Справочник. Электронные схемы на операционных усилителях. -Киев: Техніка, 1983, - 213 с.

9. Справочник по интегральным микросхемам. / Под ред. Ю.Н.Рысева. -М.: Энергия, 1981, - 816 с.

10. Полупроводниковые приборы: транзисторы: Справочник. /Под ред. В.А.Аронова. -М.: Энергоатомиздат, 1983, - 904 с.

11. Источники электропитания электронной аппаратуры. Справочник. Под ред. Г.С. Найвельта. - М. Радио и связь. 1985. - 576 с.