1.2 Проверка надёжности работы схемы и расчёт длительности фронта

Известно, что транзистор ГТ322Б имеет следующие параметры:

.

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

, (1.1)

где U_m1 — амплитуда импульса.

Из формулы (1.1) найдём амплитуду импульса U_m1:

(1.2)

Подставив значения E_К = 15 В и в формулу (1.2), найдём амплитуду импульса U_m1:

Для обеспечения надёжности работы схемы необходимо выполнить условие значения напряжения коллектор-база U_КБ:

(1.3)

где Е_К — напряжение источника.

Подставив значения E_К = 15 В и U_КБ = 30 В в формулу (1.3), проверим условие:

Условие верно, поэтому схема будет работать надёжно.

Длительность фронта t_Ф находится по формуле:

, (1.4)

где — амплитуда импульса.

Подставив значения = 20 МГц в формулу (1.4), найдём длительность фронта t_Ф:

1.3 Расчёт сопротивления резистора rк

Величину сопротивления R_К следует определять из выражения для t_Ф:

(1.5)

где m — некоторый коэффициент, зависящий от коэффициента насыщения S;

С_К — ёмкость коллекторного перехода.

Подставив значения m = 1,5 и С_К = в формулу (1.5), и, используя значения формулы (1.4) найдём величину сопротивления R_К:

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

(1.6)

где — значение обратного тока коллектора при максимальной температуре, определяется для кремниевых транзисторов выражением:

(1.7)

Используя формулы (1.6) и (1.7), найдём сопротивлене R_К:

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 = 1,5 кОм.

1.4 Расчёт сопротивления резистора rб

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

, (1.8)

где β — коэффициент передачи по току;

S — коэффициент насыщения.

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

, , ,

подставив численные значения и учитывая коэффициент насыщения S = 1,5, получим:

Выберем по ГОСТ R_Б = 16 кОм.

1.5 Расчёт хронирующего конденсатора

Для расчета ёмкости хронирующего конденсатора можно воспользоваться приближённым выражением

,

откуда:

Выберем по ГОСТ C = 47 нФ.

2. Исследование ждущего мультивибратора на транзисторах

2.1 Физические процессы, происходящие в ждущем мультивибраторе

Такие мультивибраторы находят очень широкое применение в автоматике и вычислительной технике в качестве устройств задержки от единиц микросекунд до секунд.

Наиболее простой и распространенной является схема ждущего мультивибратора с эмиттерной связью (приложение А).

Выход первого усилительного каскада соединен через конденсатор с входом второго усилительного каскада. Эта связь является связью по переменному току. Выход второго усилительного каскада соединен с входом первого через резисторы R_Э, R₂. Эта связь является связью по постоянному току. Поэтому ждущий мультивибратор имеет одно устойчивое состояние равновесия, обусловленное связью по постоянному току, и второе состояние неустойчивого (квазиустойчивого) равновесия, обусловленное связью по переменному току. В состоянии устойчивого равновесия ждущий мультивибратор может находиться сколь угодно долго. Для срабатывания на схему подается запускающий импульс, который переводит схему во второе (квазиустойчивое) состояние равновесия. Второе опрокидывание, которое приводит ждущий мультивибратор в исходное устойчивое состояние, происходит в результате релаксационного процесса в самой схеме.

В исходном режиме (состояние устойчивого равновесия) транзистор V₂ открыт отрицательным напряжением, подаваемым на его базу от, источника питания через базовый резистор R_Б. Эмиттерный ток этого транзистора создает на резисторе R_Э напряжение, которое через резистор R₂ передается на базу транзистора V₁ и удерживает его в запертом состоянии. Хронирущий конденсатор C заряжен (обкладка, подключённая к коллектору V₁, имеет отрицательный потенциал по сравнению с обкладкой, подключенной к базе V₂). На аноде и катоде диода практически равный потенциал – E_К и диод находится в режиме, близком к отпиранию. Эпюры, иллюстрирующие работу схемы, изображены в приложении В.

При подаче на вход схемы положительного запускающего импульса этот импульс через диод и хронирующий конденсатор поступает на базу транзистора V₂. Транзистор подзапирается, токи через него уменьшаются_, уменьшается падение напряжения на эмиттерном резисторе R_Э, транзистор V₁ отпирается. Увеличение тока коллектора V₁ увеличивает потенциал на коллекторе этого транзистора, что приводит к дальнейшему запиранию транзистора V₂. В схеме происходит опрокидывание – транзистор V₂ запирается, а транзистор V₁ отпирается. При отпирании транзистора V₁ потенциал на его коллекторе возрастает, и диод запирается, отключая схему запуска от мультивибратора. Отключение схемы запуска является основным назначением диода.

После опрокидывания в схеме происходит релаксационный процесс, заключающийся в перезаряде хронирующего конденсатора C по цепи: корпус – R_Э – эмиттер-коллектор транзистора V₁ – C – R_Б – (–E_К).

Падение напряжения на базовом резисторе R_Б создаёт положительный потенциал, который удерживает этот транзистор в запертом состоянии во время релаксационного процесса. По мере разряда конденсатора падение напряжения на базовом резисторе и, следовательно, на базе транзистора V₂ уменьшается, и, когда напряжение между базой и эмиттером упадет до нуля, транзистор V₂ откроется, ток через резистор R_Э увеличится, а транзистор V₁ начнет запираться. В схеме произойдет обратное опрокидывание, в результате которой транзистор V₁ запрется, а V₁ – откроется. После опрокидывания в схеме происходит процесс восстановления исходного состояние, который заключается в заряде, хронирующего конденсатора по цепи корпус – R_Э – эмиттер – база – V₂ – C – R_К1 – (–E_К).

После заряда конденсатора мультивибратор приходит в исходное состояние и будет находиться в этом состоянии до прихода, следующего запускающего импульса, т. е. в состоянии «ожидания».

В исходном состоянии транзистор V₂ открыт, т. к. на его базу через резистор R_Б подается напряжение источником питания E_К. Для получения хорошей формы импульса транзистор V₂ должен находиться в режиме насыщения. Насыщение не должно быть глубоким, т. к. с увеличением глубины насыщения время опрокидывания также увеличивается.

Так как транзистор V₂ открыт и находится в насыщении, то при анализе схемы можно считать коллектор, базу и эмиттер короткозамкнутыми, т. е. стянутыми в эквипотенциальную точку.

Транзистор V₁ в исходном состоянии этим напряжением должен быть заперт. Для этого потенциал на базе этого транзистора V₁ должен быть не больше U_Э2 (по абсолютной величине). Потенциал на базе V₁ определяется делителем R₁, R₂ (ток делителя значительно больше обратного тока базы).

Для запуска ждущего мультивибратора необходимо входным импульсом изменить состояние одного из транзисторов.

В рассмотренной схеме положительный импульс запуска подается через диод и конденсатор C на базу открытого транзистора V₂.

Во время релаксационного процесса транзистор V₂ заперт, а транзистор V₁ открыт и находится в режиме насыщения. Поэтому при анализе схемы для этого режима также нужно считать коллектор, базу и эмиттер короткозамкнутыми.

После окончания релаксационного процесса происходит восстановление схемы, заключающееся в заряде хронирующего конденсатора.

Для нормальной работа схемы требуется, чтобы к моменту прихода следующего запускающего импульса процесс восстановления был закончен.