Мультивібратори
Для одержання коливань, що характеризуються ділянками зі стрибкоподібними змінами напруг і струмів (так званих “розривних коливань”), застосовуються релаксаційні генератори або релаксатори. Релаксатори, як і тригери, ставляться до класу спускових пристроїв і базаються на застосуванні підсилювачів з колом позитивного зворотного зв'язку або приладів з негативним опором. На відміну від тригерів, що мають два стійких стани, генератори релаксаційного типу мають максимум один стійкий стан.
Мультивібратор - генератор прямокутних імпульсів релаксаційного типу з резистивно - ємнісними позитивними зворотними зв'язками, що використає замкнутий у коло позитивного зворотного зв'язку двох касдний підсилювач.
Мультивібратор може працювати в одному із трьох режимів: автоколивальному, що характеризується відсутністю стійких станів; існують два, що чергуються в часі стани квазірівноваги;
чекаючому, при якому існує один стійкий стан і один стан квазірівноваги. Перехід від стійкого стану в стан квазірівноваги відбувається під впливом зовнішніх імпульсів, що запускають, а момент повернення в стійкий стан визначається параметрами часозадаючого ланцюга (часом релаксації). Таким чином, на один імпульс зовнішнього впливу чекаючий мультивібратор виробляє один імпульс заданої тривалості;
синхронізації. У цьому режимі на мультивібратор впливає зовнішня синхронізуюча напруга. При цьому режимі існують два чередующихся стани квазірівновагу, але період коливань дорівнює або кратний періоду синхронізуючого впливу.
Мультивібратори застосовуються в якості задаючих генераторів, розширювачів імпульсів, дільників частоти.
Якщо в тригерних пристроях початковий розвиток регенеративного процесу, що забезпечує формування крутих перепадів, напруги, викликається зовнішніми імпульсами керування, то в мультивібраторах цей процес розвивається автоматично завдяки наявності часозадаючих (хронірующих) елементів, якими звичайно є RC-ланцюги. Зрозуміло, що в тому чи іншому випадку генераторний пристрій являє собою підсилювальний ланцюг того або іншого типу, охоплений позитивним зворотним зв'язком. Таким чином, мультивібратор являє собою релаксаційний автогенератор напруги прямокутної форми. Термін «автогенератор» означає, що він генерує незатухаючі коливання без якого-небудь запуску ззовні й не має стійких станів рівноваги. Релаксаційний характер коливань вихідної напруги вказує на те, що умови самозбудження виконуються в широкому діапазоні частот.
Загальна характеристика мультивібраторів
При проектуванні мультивібраторів як елементна база використають біполярні, польові й одноперехідні транзистори, а також аналогові й цифрові інтегральні мікросхеми. Останніми найчастіше є операційні підсилювачі й логічні елементи. Напівпровідникові прилади в мультивібраторах працюють у ключовому режимі.
При роботі мультивібратора в режимі автоколивань виробляються періодично повторювані імпульси прямокутної форми. Частота генеруючих імпульсів визначається параметрами часозадаючого ланцюга, властивостями схеми й режимом її живлення. На частоту автоколивань впливає підключене навантаження. Звичайно мультивібратор застосовується як генератор імпульсів великої тривалості, які потім використаються для формування імпульсів необхідної тривалості й амплітуди.
Таким чином, мультивібратори, що працюють в автоколивальному режимі, застосовуються найчастіше як задаючих генератори. Тому до них пред'являються вимоги високої стабільності частоти, що, однак, може бути досягнуто тільки застосуванням спеціальних заходів щодо стабілізації частоти періодичної послідовності імпульсів. Звичайно відносна нестабільність частоти при впливі різних дестабілізуючих факторів становить кілька відсотків.
Мультивібратори можуть також працювати в чекаючому режимі, і режимі синхронізації.
У чекаючому режимі мультивібратор має один стан стійкої рівноваги. При впливі імпульсу, що запускає, мультивібратор виробляє один прямокутний імпульс, після чого вертається в стан стійкої рівноваги. Вимоги, які ставляться до чекаючих мультивібраторів, аналогічні вимогам до тригерів.
У режимі синхронізації на мультивібратор впливає зовнішня періодична напруга часто синусоїдальної форми. При цьому частота періодичної послідовності прямокутних імпульсів, які генеруються мультивібратором, дорівнює або цілому числу раз менше частоти синхронізуючої напруги. При знятті синхронізуючої напруги мультивібратор продовжує працювати в автоколивальному режимі.
Мультивібратори на біполярних транзисторах
Мультивібратори на біполярних транзисторах найбільше часто виконують за симетричною схемою з колекторно-базовими зв'язками (рис. 1,а). Як і для тригера, симетричність означає ідентичність симетрично розташованих елементів, тобто RK1=RK2, RБ1=RБ2, СБ1=СБ2, параметри транзисторів однакові. Як видно з рисунка, мультивібратор складається із двох підсилювальних каскадів з ОЕ, вихідна напруга кожного з яких подається на вхід іншого. У схемі мультивібратора використані транзистори р-п-р-типа.
При приєднанні схеми до джерела живлення Ек обидва транзистора пропускають колекторні точки (їхні робітники точки перебувають в активній області), оскільки на бази через резистори RБ1 і RБ2 подається негативний зсув. Однак такий стан схеми нестійкий. Через наявність у схемі позитивного зворотного зв'язка виконується умова βКу>1 і двухкаскадний підсилювач самозбуджується. Починається процес регенерації - швидке збільшення струму одного транзистора й зменшення струму іншого транзистора.
Нехай у результаті будь-якої випадкової зміни напруг на базах або колекторах трохи збільшиться струм IK1 транзистора VT1. При цьому збільшиться спадання напруги на резисторі RK1 і колектор транзистора VT1 одержить збільшення позитивного потенціалу. Оскільки напруга на конденсаторі СБ1 не може миттєво змінитися, це збільшення прикладається до бази транзистора VT2, підзакриваючи його. Колекторний струм IK2 при
Рисунок 1 – Симетричний мультивібратор на біполярних транзисторах:
a - схема; б - часові діаграми
цьому зменшується, напруга на колекторі транзистора VT2 стає більше негативним і, передаючись через конденсатор СБ2 на базу транзистора VT1, ще більше відкриває його, збільшуючи струм IK1. Цей процес протікає лавиноподібно й закінчується тим, що транзистор VT1 входить у режим насичення, а транзистор VT2 — у режим відсічки. Схема переходить в одне зі своїх тимчасово стійких станів рівноваги (квазістійкий стан). При цьому відкритий стан транзистора VT1 забезпечується зсувом від джерела живлення Ек через резистор RБ1, а замкнений стан транзистора VT2 — позитивною напругою на конденсаторі СБ1 ( = UБ2 > 0), що через відкритий транзистор VT1 включений у проміжок база — емітер транзистора VT2.
На часових діаграмах рисунок 1, б описані процеси, які відповідають моменту часу t = 0. Тепер конденсатор СБ2 швидко заряджається по ланцюгу +ЕK — емітер — база транзистора VT1 — CБ2 — RК2 — ЕK до напруги Ек. Конденсатор СБ1 заряджений у попередній період, перезаряджається через резистор RБ2 і відкритий транзистор VT1 струмом джерела живлення Ек і напруга на ньому прагне зменшитися до — Ек (див. графік для UБ2). У момент часу t1 напруга = UБ2 міняє знак, що викликає відкривання транзистора VT2 і поява IK2. Збільшення струму IK2 приводить до процесу, аналогічному описаному раніше при збільшенні струму IK1. У результаті транзистор VT2 входить у режим насичення, а транзистор VT1 — у режим відсічки (друге тимчасово стійкий стан рівноваги). У проміжку часу t1 — t2 відбувається заряд конденсатора СБ1 і перезаряд конденсатора СБ2.
Таким чином, переходячи періодично з одного тимчасово стійкого стану рівноваги в інший, мультивібратор, формує вихідну напругу, що знімається з колектора будь-якого транзистора, майже прямокутної форми.
Схема автоколивального мультивібратора наведена на рисунку 2, а. Він складається із інвертуючого тригера Шмітта, охопленого негативним зворотним зв'язком за допомогою інтегруючого RC-ланцюга.
Рисунок 2 – Схема мультивібратора (а) і часова діаграма його роботи (б)
Коли напруга uc досягає порога спрацьовування тригера Шмітта, схема перемикається і її вихідна напруга стрибком приймає протилежне значення. При цьому конденсатор починає перезаряджатися в протилежному напрямку, поки його напруга не досягне іншого порога спрацьовування. Схема перемикається в первісний стан (рис. 2, б).
Аналіз схеми мультивібратора дозволяє записати диференціальне рівняння:
(38)
При початкових умовах uc(0) = -Uп рішення цього рівняння має вигляд:
Значення напруги, рівне порогу спрацьовування тригера Шмітта (умова uc(t)=Uп), буде досягнуто через час
t1 = RCln[1 + 2R1/R2].
Період коливань мультивібратора, таким чином, дорівнює
T = 2t1 = 2RCln[1 + 2R1/R2]. (39)
Як видно з останньої формули, період коливань мультивібратора не залежить від напруги Uм, що, у свою чергу визначається напругою живлення Uпит. Тому частота коливань мультивібратора на ОП мало залежить від напруги живлення.
Ще однією розповсюдженою схемою генераторів на логічних елементах є схема мультивібратора. У цій схемі для реалізації позитивного зворотного зв'язка використається два інвертори. Кожний з підсилювачів здійснює поворот фази генеруючого сигналу на 180°. У результаті реалізується баланс фаз. Схема мультивібратора наведена на рисунку 3.
Рисунок 3 – Схема мультивібратора, виконана на двох логічних інверторах.
Коефіцієнт підсилення кожного з підсилювачів визначається співвідношенням резисторів R2/R1 і R4/R3. У цій схемі можливе незалежне регулювання частоти й шпаруватості генеруючих коливань. Тривалість імпульсів і тривалість паузи між імпульсами регулюється незалежно за допомогою RC ланцюжків R1 C2 і R3 C1. Період проходження імпульсів Т визначається як сума двох часів заряду конденсаторів:
Т = tзар1 + tзар2,
де tзар1 =R2C2 ln(U1/Uпор); tзар2 =R4C1 ln(U1/Uпор).
Якщо шпаруватість генеруючих коливань не важлива, то можна спростити схему мультивібратора, використавши другий інвертор по прямому призначенню. Тому що при реалізації схеми генератора нас цікавить максимальний петлевий коефіцієнт підсилення, то послідовний резистор ми теж можемо виключити. Для забезпечення автоматичного запуску генератора в схемі залишається резистор, включений з виходу на вхід першого інвертора. У цьому випадку схема мультивібратора прийме вид, показаний на рисунку 3.
Рисунок 3 - Спрощена схема мультивібратора.
У цій схемі можливо задавати тільки частоту генеруючих імпульсів. Вона буде визначатися добутком R1 C1. Шпаруватість генеруючих імпульсів буде залежати тільки від співвідношення струмів нуля й одиниці обраного логічного елемента.
Період Т імпульсів, генерованих мультивібратором, визначається в першому наближенні постійної часу t = RC (Т = а t, де а звичайно має значення 1...2). Частоту проходження імпульсів можна оцінити (з точністю до 10 %) з вираження f = 1/2RC.
Досить часто потрібно одержати генератор, вихідна частота якого могла б змінюватися в досить широких межах. У цьому випадку в якості частотозадаючого елемента в генераторі може бути використаний елемент зі змінюваними параметрами, наприклад варикап або польовий транзистор. Схема такого генератора, керованого напругою, наведена на рисунку 4.
Рисунок 4 – Схема генератора, керованого напругою.
З огляду на, що опір польового транзистора може змінюватися в межах від 10 Ом до 10 МОм, генеруюча частота теж може змінюватися в десятки й сотні разів. Однак варто врахувати, що такий генератор може бути використаний тільки в цифрових схемах, тому що його спектральні характеристики залишають бажати кращого. Звичайно така схема використовується в ланцюгах множення частоти усередині цифрових мікросхем підвищеної продуктивності. Прикладом спеціалізованих мікросхем - генераторів можуть служити мікросхеми 531ГГ1 і 564ГГ1.
У схемі на мультивібраторі можна використати й кварцову стабілізацію частоти. Для цього потрібно кварцовий резонатор включити в ланцюг зворотного зв'язку. Схема мультивібратора із кварцовою стабілізацією частоти наведена на рисунку 5.
Рисунок 5 – Схема мультивібратора із кварцовою стабілізацією частоти.
При застосуванні такої схеми кварцового генератора варто враховувати, що кварцовий резонатор у ній працює на частоті послідовного резонансу, що відрізняється від частоти паралельного резонансу, використовуваного в осциляторній схемі генератора.
