Основы электронной техники (стр. 39 )

3. Автоколебательный мультивибратор (или астабильный гене­ратор), который является генератором свободных колебаний. Он не имеет определенного устойчивого состояния и непрерывно переходит из одного состояния квазиравновесия в другое и обратно и т. д.

Бистабильный мультивибратор

Рассмотрим схему, приведенную на рис. 32.2. При включении источника питания из-за разброса допусков параметров компонентов один из тран­зисторов будет пропускать больший ток, чем другой. Причем, какой бы малой ни была разница токов, проходящих через транзисторы, ее доста­точно, чтобы привести триггер в одно из устойчивых состояний.

Предположим, что через транзистор T2 начинает протекать больший ток, чем через T1. В этом случае напряжение на коллекторе транзистора T2 будет падать, вызывая падение напряжения на базе транзистора T1. В результате ток через транзистор T1 уменьшится, а напряжение на его коллекторе увеличится. При этом повышается потенциал базы транзи­стора T2 относительно его эмиттера, и ток через T2 увеличится еще боль­ше. Так будет продолжаться до тех пор, пока не наступит насыщение транзистора T2, а транзистор T1 не перейдет в режим запирания (отсеч­ки). В этом состоянии напряжение на коллекторе запертого транзистора T1 будет равно +VCC (10 В), а на коллекторе насыщенного транзистора T2 — примерно 0 В.

Напряжение на базе транзистора T1 определяется цепочкой резисто­ров R3 – R5. Как видно из рис. 32.2(б), база транзистора T1 имеет отри­цательный потенциал, создаваемый источником отрицательного напря­жения -VВВ, что удерживает транзистор T1 в закрытом состоянии. Напряжение на базе транзистора T2 (рис. 32.2(в)) определяется цепочкой резисторов R2 – R6 и имеет положительное значение, что создает пря­мое смещение транзистора T2. Если на бистабильный мультивибратор не будет воздействовать внешний импульс, то он сохранит это устойчи­вое состояние неопределенно долго. В равной мере устойчивое состояние мультивибратора может быть сохранено и при другом режиме его рабо­ты, если при включении питания больший ток начнет протекать через транзистор T1, а не через транзистор T2.

Чтобы избежать применения отдельного источника питания отрица­тельного напряжения, на схеме, представленной на рис. 32.3, использо­ван резистор R6 в качестве общего резистора в цепи эмиттера. В любом из устойчивых состояний мультивибратора напряжение Ve возникает при протекании тока открытого транзистора через сопротивление R6. Обрат­ное смещение закрытого транзистора обеспечивается тем, что его база имеет меньший потенциал, чем эмиттер. Конденсаторы C2 и C3 назы­ваются форсирующими или ускоряющими конденсаторами. Их назначе­ние — обеспечивать быстрое переключение мультивибратора из одного состояния в другое.

Рис. 32.2. Бистабильный мультивибратор (а). Схема с использованием отдель­ных источников питания постоянного тока +VCC и –VBB.

Бистабильный мультивибратор с управляющими диодами

Чтобы изменить состояние бистабильного мультивибратора, на него по­дается внешний импульс, который переводит транзистор из закрытого состояния в открытое. Как показано на рис. 32.3, чтобы избежать при­менения двух отдельных входов, используются управляющие диоды D1 и D2. Назначение этих диодов состоит в том, чтобы направлять запус­кающий импульс к базе соответствующего транзистора. Предположим, что бистабильный мультивибратор находится в состоянии T1 закрыт / T1 открыт и насыщен.

Рис. 32.3. Схема бистабильного мультивибратора с управляющими диодами D1 и D2.

Тогда точка Х - общий катод диодов D1 и D2 — имеет потенциал VCC (10 В), т. е. на диоде D1 напряжение смещения равно нулю. В это же время анод диода D2 находится под потенциалом эмиттера T2, приблизительно равного 1 В (транзистор T2 находится в со­стоянии насыщения), т. е. на диоде D2 напряжение обратного смещения равно -9 В.

Если теперь подать на вход в точку Х отрицательный импульс, диод D1 откроется и пропустит его через резистор R3 на базу транзистора T2. В результате T2 закроется, а T1 откроется и мультивибратор перейдет в другое состояние. Напряжение смещения на управляющих диодах те­перь противоположно предыдущему, т. е. D1 находится под потенциалом -9 В. Следующий импульс откроет диод D2, пройдет через резистор R4 на базу транзистора T1 и запрет его. Мультивибратор опрокинется в перво­начальное состояние. Так как бистабильный мультивибратор переходит из одного состояния в другое, то на коллекторе любого из транзисторов можно получить прямоугольные импульсы.

На рис. 32.4 показаны импульсы, действующие на входе и выходе мультивибратора, описанного выше. Прямоугольный входной импульс вначале дифференцируется цепью C1 – R1. Мультивибратор реагирует только на отрицательные «пички». Положительные «пички» не оказыва­ют никакого влияния на схему, поскольку при их поступлении оба диода имеют обратное смещение. Выходной сигнал представляет собой после­довательность прямоугольных импульсов, следующих с частотой, равной половине частоты входного сигнала. Поэтому бистабильный мультиви­братор называется также делителем частоты на два и широко применя­ется в счетчиках и калькуляторах.

Рис. 32.4. Импульсы на входе и выходе мультивибратора.

Моностабильный мультивибратор (одновибратор)

Цепь обратной связи моностабильного мультивибратора (рис. 32.5) содер­жит одну цепочку C – R, а именно C2 – R2. При первоначальном включе­нии схемы транзистор Т2 открывается, так как на его базу через резистор R2 подается положительное напряжение +VCC, а транзистор Т1 закрыва­ется. Источник отрицательного напряжения –VBB гарантирует, что Т1 останется запертым. В этом состоянии схема может находиться сколь угодно долго при отсутствии внешнего воздействия.

Рис. 32.5. Принципиальная схема моностабильного мультивибратора.

Если теперь на вход схемы подать отрицательный импульс, его высо­кочастотный фронт пройдет через конденсатор C2 к базе транзистора Т2 и запрет его. Так же, как это происходит в бистабильном мультивибра­торе, транзистор Т1 перейдет в состояние насыщения, а транзистор Т2 — в состояние отсечки. Напряжение на коллекторе транзистора Т1 (точка А на рис - 32.5) при этом резко спадает от +10 В (VCC) до нулевого значе­ния. Этот перепад напряжения 10 В заряжает конденсатор C2 до -10 В. Другими словами, база транзистора T2 (точка В на схеме рис. 32.5) нахо­дится теперь под напряжением -10 В, удерживая транзистор в запертом состоянии. Конденсатор C2 начинает разряжаться через резистор R2 от -10 В, пытаясь достигнуть напряжения +10 В. Отрицательный потенци­ал в точке В начинает плавно уменьшаться со скоростью, определяемой постоянной времени C2R2. Как только напряжение в точке В изменит свой знак с отрицательного на положительный (рис. 32.6(б)), транзистор Т2 начнет проводить ток, а транзистор Т1 перейдет в состояние отсечки. Моностабильный мультивибратор возвращается обратно к начальному со­стоянию, ожидая прихода следующего переключающего импульса.

Форма импульса, на выходе схемы показана на рис. 32.6(в). Длитель­ность импульса определяется периодом, в течение которого транзистор Т2 остается в запертом состоянии, что в свою очередь зависит от постоянной времени C2R2. Например, схема, приведенная па рис. 32.5, вырабатывает импульс длительностью приблизительно 350 мкс.

Рис. 32.6. Форма импульсов, действующих в различных точках схемы однови­братора.

Она может быть изме­нена варьированием номиналов емкости конденсатора С2 или резистора R2 или обоих вместе. Следует заметить, что частота сигнала на выходе равна частоте входного сигнала, но их длительности различны. Одно­вибратор применяется для увеличения ширины импульса и получения временной задержки.

Автоколебательный мультивибратор

На рис. 32.7 показана схема автоколебательного (или несинхронизирован­ного) мультивибратора. Контур обратной связи характеризуется двумя постоянными времени С1R1 и С2R2. Когда включается источник пита­ния, через один из транзисторов проходит больший ток, чем через другой. Благодаря наличию цепи обратной связи это приводит к тому, что один из транзисторов приходит в состояние насыщения, а другой — в состоя­ние отсечки. Предположим, что транзистор T1 открыт и насыщен, а T2 закрыт. Затем конденсатор С1 заряжается до –VCC и удерживает T2 в запертом состоянии. Конденсатор С1 начинает разряжаться через рези­стор R1, пытаясь перезарядиться до +VCC, как и в случае одновибратора. В момент, когда потенциал цепочки R1 – С1 (база транзистора T2) про­ходит через нуль, транзистор T2 открывается, закрывая транзистор T1. Конденсатор С1 теперь скачком перезаряжается в отрицательном напра­влении, сохраняя транзистор T1 закрытым. Как только конденсатор С2 разрядится через R2 откроется транзистор T1 и т. д. Выходной сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов снимается с кол­лектора любого из транзисторов. Отношение метка/пауза (коэффициент заполнения) определяется временными постоянными схемы. Выходной сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов снимается с коллектора любого из транзисторов.

На рис. 32.8 изображены выходные импульсы на коллекторе каждого из транзисторов. Чтобы получить равные по длительности импульсы, временные постоянные С1R1 и С2R2 делают равными.