13

Федеральное агентство по образованию

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П. А. Соловьева

Кафедра «Вычислительные системы»

В. Т. ВОЛКОВ

Исследование автоколебательного симметричного мульвибратора на транзисторах

Лабораторная работа по дисциплине

«Основы электротехники и электроники»

Рыбинск 2008

Цель работы

Цель работы – изучение принципа работы, методики расчета и исследование основных характеристик, мультивибратора, работающего в автоколебательном режиме.

1. Краткие сведения из теории

В настоящей работе исследуется мультивибраторы в автоколебательном режиме. Такие мультивибраторы широко используются как генераторы прямоугольных импульсов длительностью от единиц микросекунд до секунд.

Наиболее простой и распространенной схемой является схема мультивибратора с коллекторно-базовыми емкостными связями (рис. 1). Как видно из рис. 1 мультивибратор представляет из себя два усилительных каскада, выход каждого из которых соединен со входом другого. На транзисторах V₁ и V₂ собраны усилительные каскады, конденсаторы C₁ и C₂ являются хронирующими. Если C₁ = C₂, R_К1 = R_К2, R_Б1 = R_Б2, такой мультивибратор называется симметричным.

Рис. 1.Мультивибратор с коллекторно-базовыми связями

Остановимся кратко на физических процессах, происходящих в мультивибраторе. Поскольку мультивибратор является двухкаскадной регенеративной схемой, охваченной положительной обратной связью по переменному току, то при выполнении условия самовозбуждения в ней возникает скачки. Эти скачки состоят в поочередном быстром затирании одного и отпирании другого транзистора. Скачкообразное изменение состояний транзисторов, которые в схеме играют роль электронных ключей, часто называет опрокидыванием схемы. После каждого опрокидывания в схеме устанавливается квазиустойчивое состояние равновесия, в течение которого происходит разряд одного и заряд другого хронирующего конденсатора.

Рассмотрение физических процессов в схеме начнем с момента, когда после очередного опрокидывания транзистор V₁ оказался запертым, а транзистор V₂ открытым (эпюры, иллюстрирующие работу схемы, изображены на рис. 2).

Рис. 2. Временные диаграммы напряжений в мультивибраторе

Конденсатор C₂, заряженный в предыдущем цикле работы, перезаряжается по цепи корпус-эмиттер-коллектор транзистора V₂ – C₂ – R_Б1 – ( – ) E_К. При этом падения напряжения на сопротивлении R_Б1 за счет тока перезаряда превышает величину E_К и результирующий положительный потенциал на базе транзистора V₁ удерживает этот транзистор в запертом состоянии. Конденсатор C₁ на этом этапе заряжается по цепи корпус-эмиттер-база транзистора V₂ – C₁ – R_К1 – ( – ) E_К.

Для нормальной работа мультивибратора необходимо, чтобы процесс заряда конденсатора протекал быстрее, чем процесс перезаряда. После окончания процесса заряда V₂ удерживается в открытом состоянии за счет протекания тока по цепи корпус-эмиттер-база транзистора V₂ – R_Б1 – ( – )E_К. Ток базы может быть определен по формуле:

т. к. R_Б >> r_Э.

Чтобы получить импульс хорошей формы и стабильности амплитуды, открытый транзистор должен находиться в режиме насыщения. Для этого нужно выполнить условие

откуда

Очевидно, такое же условие должно быть выполнено и для транзистора V₁, который будет открыт в следующем цикле работы. Следовательно

Однако насыщение оказывает и вредное влияние на работу мультивибратора. Чем больше коэффициент насыщения, тем длительней процесс рассасывания носителей и, следовательно, тем медленнее осуществляется процесс опрокидывания схемы. Поэтому обычно S выбирается равным 1,2 ÷ 1,5.

Подставляя это значение, коэффициента насыщения в формулы для R_Б1 и R_Б2 получим

,

При перезаряде конденсатора C₂ напряжение на базе транзистора уменьшается. Когда оно упадет до куля, транзистор V₁ начнет отпираться и напряжение на его коллекторе станет возрастать. Это возрастание напряжения через конденсатор C₁ передается на базу транзистора V₂, который начнет запираться. При этом напряжение на коллекторе транзистора V₂ начнет уменьшаться, уменьшение напряжения через конденсатор C₂ передается на базу транзистора V₁, что содействует его отпиранию. Таким образом происходит лавинообразный процесс опрокидывания схемы, в результате которого ранее открытый транзистор V₂ запирается, а закрытый транзистор V₁ открывается.

Как следует из рассмотрения физических процессов, длительность квазиустойчивых состояний (и соответственно длительность генерируемых импульсов) определяется временем разряда хронирующих конденсаторов.

Разряд хронирующих конденсаторов происходит по экспоненте. Длительность прерывающегося экспоненциального процесса может быть определена по формуле

Начальное значение экспоненты на базе транзистора определяется напряжением, до которого зарядился конденсатор. Хронирующий конденсатор заряжается практически до напряжения источника питания, поэтому x₀ = E_К, при t → ∞, x_∞ = – E_К – I_К0R_Б.

Отпирание транзистора определяет момент прерывания процесса. В это время x_пр = 0. Постоянная времени цепи τ = CR_Б.

Подставляя все величины в исходную формулу, получаем

Для повышения температурной стабильности длительности импульсов мультивибратора необходимо выполнять условие:

При выполнений этого условия формулу для длительности импульсов можно упростить:

t ≈ CR_Бln2 ≈ 0,7CR_Б

Следовательно

t_И1 ≈ 0,7C₁R_Б1, t_И2 ≈ 0,7C₂R_Б2

А период повторения импульсов

T_И = t_И1 – t_И2

В случае симметричного мультивибратора t_И1 = t_И2 и период повторения импульсов T_И ≈ 1,4CR_Б.

Если резисторы в цепях баз транзисторов подсоединяются не к источнику E_К, а к источнику отдельного смещения E_Б, то хронирующие конденсаторы будут стремиться перезарядиться до напряжения – E_Б – I_К0R_Б. Поэтому x_пр = – E_Б – I_К0R_Б.

С учетом этого выражение для длительности импульсов мультивибратор принимает вид

2. Задание на предварительную подготовку

При выполнении домашнего задания необходимо по исходным данным произвести расчет симметричного мультивибратора, собранного по схеме (рис. 1). Исходными данными для расчета симметричного мультивибратора является:

– амплитуда импульса U_m;

– период повторения импульсов T_И;

– диапазон изменения окружающей температуры ∆t;

– длительность фронта импульса t_Ф;

Рассмотрим порядок расчета симметричного мультивибратора при следующих технических условиях:

U_m ≥ 10 В, T_И = 2500 мкс, ∆t = 40 ÷ + 60^о С, t_Ф ≤ 1 мкс

2.1. Выбор напряжения источника eк

Транзисторы в мультивибраторе работает в режиме насыщенных ключей. Коэффициент использования коллекторного напряжения в транзисторных ключах близок к единице. Поэтому следует выбирать:

E_К = 1,2U_m = 1,2 10 = 12 В (1)

Если напряжение источника E_К задано, то тогда по формуле (1) уточняется амплитуда импульсов мультивибратора.

2.2. Выбор транзистора

При выборе транзистора должны выполняться следующие условия:

а) для обеспечения надежности работы схемы необходимо выполнить условие

U_КБ0 ≥ 2E_К = 2 12 = 24 В (2)

б) для обеспечения заданной длительности фронта параметры транзистора должны удовлетворять условию

(3)

где τ_β – постоянная времени переходных процессов, определяема выражением

,

где β – коэффициент передачи по току в схеме с ОЭ;

C_К – емкость коллекторного перехода;

R_К – номинал резистора в цепи коллектора;

f_α – граничная частота усиления для схемы с ОБ;

m – некоторый коэффициент зависящий от коэффициента насыщения S.

При часто встречающихся в практике величинах коэффициента насыщения S = 1,5 ÷ 3 можно принять m = 1,5.

И, следовательно, выражение для длительности фронта примет вид

Для большинства транзисторов можно принять

(4)

Откуда для нашего примера

Выбираем транзистор МП40А, у которого U_КБ0 = 30 В, f_α = 1 МГц, I_К0 = 15 мкА, C_К = 60 пФ, I_Кдоп = 150 мА.

Если транзистор задан, то по формуле (2) следует проверить условие (а), а по формуле (4) уточнить длительность фронта t_Ф.

2.3. Расчет сопротивления резистора rк

Величину сопротивления R_К следует определять из выражения для t_Ф:

С другой стороны для достаточной температурной стабильности амплитуды выходных импульсов необходимо выполнить условие

R_К I_Кmax ≤ 0,05U_m

где I_Кmax – значение обратного тока коллектора при максимальной температуре, определяете для германиевых транзисторов выражением:

Уменьшение величины сопротивления ограничивается максимально допустимым током коллектора. В режиме насыщения

Откуда

Забор малого сопротивления R_К увеличивает мощность, потребляемую схемой от источника. Учитывая все эти соображения, сопротивление R_К обычно выбирают в диапазоне 1 ÷ 3 кОм.

Выберем по ГОСТ R_К = 2 кОм.

2.4. Расчет сопротивления резистора rб

Сопротивление в цепи базы R_Б и сопротивление в цепи коллектора R_К связаны соотношением

(5)

Учитывая зависимость коэффициента β oт температуры β_t = β₂₀^о_С (1 – α∆t), найдём

Выберем по ГОСТ R_Б = 20 кОм.

2.5. Расчет хронирующего конденсатора

Для расчета емкости хронирующего конденсатора можно воспользоваться приближенным выражением

T_И = t_И1 – t_И2 ≈ 1,4 CR_Б

Откуда

Выберем по ГОСТ C = 0,1 мкф.

На этом расчет мультивибратора можно считать законченным.

Предварительная подготовка заключается в расчете симметричного мультивибратора по данным, которые следует взять у лаборанта согласно своего варианта. И, кроме этого, необходимо подготовить ответы на контрольные вопросы по литературе, указанной в конце описания.