книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

снижается до величины /к0. Напряжение на базе транзистора Ті

£

возрастает от 0 до -ЬДк, а ток уменьшается от значения —- до

величины Іко.

Во время перезаряда емкостей Сі и С2 напряжения £Л>2 и UK2 насыщенного транзистора 7^, а также токи /g1 и /кі запертого транзистора 7\ остаются неизменными, что определяется усло­ виями насыщения и отсечки. Напряжение U62 на базе транзи­ стора Г2 по мере разряда конденсатора С) падает до нуля. На­ пряжение и 1і2 на коллекторе транзистора Т2 по мере заряда кон­ денсатора С2 возрастает до величины, близкой к —£„. По мере заряда конденсатора С2 ток базы транзистора Ті уменьшается до

Я - величины ——, а ток коллектора до величины тока насыщения

■^бі

Як (Я к і +

^кГ^б2

Процессы, происходящие во время переключения мультивиб­ ратора из одного состояния в другое, периодически повторяются в описанной последовательности.

Выходом мультивибратора может быть коллектор одного или другого транзистора.

О форме напряжения на коллекторе транзисторов Т\ и Т2 можно судить из рассмотрения рис. 11.2. Как видно из рисунка, это периодические напряжения прямоугольной формы, сдвинутые по фазе на 180° относительно друг друга.

Вследствие того, что емкости Сі и С2 подключены к коллек­ торам транзисторов, то выходное напряжение не может мгно­ венно достигнуть максимальной величины. Сразу после переклю­ чения мультивибратора напряжение на запертом транзисторе будет UK = —Ек+ ісКк, где іс — ток разряда емкости. По мере за­ ряда емкости ток іс уменьшается.

Постоянная времени цепи заряда конденсатора тз=RwC. Спустя примерно Зтз, конденсатор полностью заряжается, и на­ пряжение на коллекторе становится равным ДкТаким образом, длительность фронта мультивибратора примерно 3RKC.

Спад импульса мультивибратора имеет сравнительно неболь­ шую величину и определяется достаточно точно из следующего

может достигать значений 0,5-М мкс.

Условимся длительностью импульса мультивибратора счи­ тать время запертого состояния транзистора. Длительность импульса мультивибратора определяется из выражения

152

тивибратора Т = 2 tn= 1,4 R^C.

Иногда для определенных целей скважность импульсов муль­ тивибратора должна быть отличной от 2. В этом случае нару­ шают симметрию мультивибратора, выбирая различные постоян­ ные времени базовых цепей. Величина скважности ограничи­ вается минимальным значением времени заряда конденсатора

ность получения последовательности импульсов с большой

диод также запирается, так как на емкости остается положительное напряжение. Тем самым диод отключает конденсатор от выходной цепи мультивибратора. Заряд конден­ сатора в этом случае будет осуществляться через дополнитель­ ный резистор Дд. Когда транзистор откроется, диод также откроется и коллекторная нагрузка в этом случае будет

кЯк + Яд '

Данная схема позволяет получить импульсы практически прямоугольной формы, однако она обладает более низкой (при­ мерно вдвое) предельной скважностью и не позволяет плавно регулировать период колебаний Т.

В схеме, изображенной на рис. 11.3, затягивание процесса переключения, связанное с насыщением транзистора, не устра­ няется. Режим насыщения обеспечивается отрицательным смеще­ нием на базах транзисторов. Таким образом, в схеме с коррек­ тирующими диодами достигается хорошая форма импульсов и высокая стабильность рабочей частоты мультивибратора.

153

§11.2. БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Втех случаях, когда требуется высокое быстродействие, при­ меняется схема мультивибратора, показанная на рис. 11.4. Эта схема отличается от схемы триггера лишь тем, что на базы тран­

зисторов не подается запирающее смещение + Е Сі. В отличие от рассмотренных схем мультивибраторов в этой схеме базы транзисторов подключены через резисторы R і и R% не к бата­ рее— Ек, а к коллекторам транзисторов.

Рассмотрим особенность работы этой схемы. Пусть процессу переключения предшествовало состояние мультивибратора, в ко-

тором транзистор Т{ заперт, а Т%открыт. Тогда при переключе­ нии мультивибратора в момент отпирания транзистора Т\ ток базы насыщенного транзистора будет изменяться более резко, чем в ранее рассмотренных схемах. Резистор Re позволяет ста­ билизировать потенциал базы открытого транзистора с помощью делителя RK>Ru RQ. При этом ток делителя должен быть больше тока базы.

В случае высокой степени насыщения при включении напря­ жения питания транзисторы приобретают усилительные свой­ ства и иногда оба могут перейти в режим насыщения. При этом не удовлетворяется условие самовозбуждения и мультивибратор не работает. Поэтому при проектировании схемы следует уста­ навливать минимальную степень насыщения.

Одним из важных параметров мультивибратора, как и лю­ бого другого автогенератора, является стабильность частоты.

Стабильность частоты определяется глаццым образом неуп­ равляемым током коллектора / к0, который часто является основ­ ной составляющей разрядного тока времязадающего конден­ сатора.

Схема мультивибратора, приведенная на рис. 11.5, обладает повышенной стабильностью частоты. Это обеспечивается тем, что времязадающий конденсатор Са[ включен в цепь эмиттера, а, как

154

транзистора Т\. В результате в момент отпирания транзистора Т\

транзистор СаІ зарядится до такой величины, при которой отри­ цательное смещение на базе транзистора Т2 превысит напряже­ ние и э2. Транзистор Т2 откроется и будет в этом состоянии под­ держиваться отрицательным смещением, подаваемым на базу транзистора с коллектора Г). Транзистор Г] закроется и будет поддерживаться в закрытом состоянии отрицательным напряже­ нием на емкости СЭ|. После этого емкость Сэі начинает разря­ жаться. Как только напряжение на ней снизится до величины отрицательного смещения, подаваемого на базу транзистора Ти

Конденсаторы Саь Ся2, С пропускают большие токи в момент запирания транзистора и тем самым способствуют выходу тран­ зистора из режима насыщения, сокращают длительность фронта.

Преимущества рассмотренной схемы:

155

1) прямоугольная форма импульса с крутыми фронтами (1 мкс и менее);

2)возможность получения большой (до 40) скважности импульсов;

3)возможность плавной регулировки частоты колебаний

мультивибратора в широком диапазоне с помощью резистора ДЭ1 без существенного изменения формы генерируемых импульсов.

§ 11.3. ЖДУЩИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР (ОДНОВИБРАТОР)

Одновпбратор (рис. 11.7), или ждущий мультивибратор, представляет собой устройство, предназначенное для формиро­ вания прямоугольных импульсов заданной длительности. Одновибратор может выполнять также функции задержки импульса на заданное время.

окончания его и величина амплитуды определяются парамет­ рами схемы.

Наибольшее распространение на практике получила схема одновибратора с независимым смещением (рис. 11-9). Схема состоит из двух ключей с глубокой положительной обратной связьюОдна из связей емкостная, вторая—реостатно-емкостная.

Эта схема имеет устойчивое состояние, при котором транзи­ стор Т\ открыт, а Т2 закрыт. Закрытое состояние транзистора поддерживается источником напряжения +EQ. Величина напря­ жения смещения может быть рассчитана по формуле

ДбйДі/■ До прихода запускающего импульса схема будет находиться

в устойчивом состоянии. Под действием запускающего импульса

155

происходит короткий регенеративный процесс, в результате кото­ рого одновибратор переключается во временно устойчивое со­ стояние, в котором транзистор Т\ заперт, а транзистор Т2 открыт. С этого момента начинается основной процесс этого периода — перезаряд времязадающей емкости С. Время, в течение которого схема находится во временно устойчивом состоянии, опреде­ ляется постоянной времени времязадающей цепи і?біСі и соот­ ветствует длительности генери­

руемых импульсов t„. Длительность импульса в

этом случае определяется, как и в мультивибраторе, согласно формуле

*и=СіЯб\ ln 2.

По истечении времени tn начинается отпирание транзи­ стора Ті и происходит второй регенеративный процесс пере­ ключения, возвращающий транзисторы опять в устойчи­ вое состояние. В этом состоя­ нии схема будет находиться до

прихода следующего запускающего импульса, ів результате кото­ рого описанный процесс повторится.

Временные диаграммы одновибратора приведены на рис. 11.8. Спад импульса, снимаемого с транзистора Ти получается корот­ ким, так как он определяется активным процессом включения транзистора, ускоряемым форсирующей емкостью. Фронт импульса обычно имеет большую длительность, так как опреде­ ляется процессом заряда форсирующей емкости С. Фронт и спад импульса, снимаемого с транзистора Т% имеют большую дли­ тельность, так как определяются процессом заряда и разряда времязадающей емкости Сф

Максимальная частота одновибратора ограничивается време­ нем заряда времязадающей емкости Сф К моменту прихода оче­ редного запускающего импульса емкость должна зарядиться, что может быть обеспечено при выполнении условия

5 C i R j ^ ^ T — гф

§ 11.4. ОДНОВИБРАТОР С ЭМИТТЕРНОЙ СВЯЗЬЮ

и ранее рассмотренная, состоит из двух ключей с глубокой поло­ жительной обратной связью. Одна из связей — емкостная, вто­ рая связь осуществляется с помощью общего для обоих транзи­ сторов резистора R3.

157

Устойчивое состояние схемы, в котором транзистор Гг открыт, а Т\ закрыт, обеспечивается отрицательным смещением в цепи эмиттера. Отрицательное смещение обусловлено падением напря­ жения на резисторе R3 вследствие протекания по нему тока открытого транзистора.

Основными преимуществами этой схемы являются отсутствие второго источника напряжения и возможность получения корот­ ких фронтов импульса. Данная схема более высокочастотная, так как коллектор транзистора Т2 не связан с другими цепями уст­

ройства.

Однако приведенная схема обладает низкой термоустойчнвостыо и трудно поддается на­ стройке. Кроме того, потребляе­ мая схемой мощность примерно в два раза больше, чем мощ­ ность, потребляемая одновибратором с внешним смещением.

Схема работает следующим образом. В отсутствии посторон­ них запускающих импульсов

транзистор То, открыт благодаря отрицательному смещению, по­ даваемому на базу от источника коллекторного напряжения че­ рез резистор Д62-

Коллекторный ток транзистора Т2 протекает по эмиттерному резистору Ra и создает на нем падение напряжения U3.

В цепи базы транзистора Ті действуют два напряжения: напряжение ІІ3, запирающее транзистор, и напряжение Не (на делителе R^R), отпирающее транзистор. Резисторы R3, R5l и R<$2 подбирают такими, чтобы транзистор Т\ был закрыт, а Т2 от­ крыт. Напряжение на коллекторе запертого транзистора Т1 равно напряжению источника питания Ек. Конденсатор С заря­ жен до напряжения UK—U3 = EK—U3. В таком состоянии схема может находиться долгое время.

При поступлении на базу транзистора Г, отрицательного за­ пускающего импульса с амплитудой, достаточной для его отпи­ рания, транзистор ТI откроется и напряжение на его коллекторе резко снизится. Падение напряжения на эмиттерном резисторе Ra теперь будет определяться только величиной коллекторноготока транзистора Т\. Поэтому после окончания запускающегоимпульса схема останется в новом состоянии: транзистор Ті бу­ дет открыт, а транзистор Т2— закрыт.

С этого момента начинается перезаряд конденсатора С, кото­ рый через резистор Re оказался подключенным к отрицатель­ ному зажиму источника питания.

По мере перезаряда конденсатора С напряжение базы тран­

158

зистора Т2 будет становиться все более отрицательным относи­ тельно эмиттера и, наконец, наступит такой момент, когда тран­ зистор Т2 откроется. Коллекторный ток транзистора Т2 создаст падение напряжения на резисторе R3, запирающее транзистор Т\. Произойдет регенеративный процесс, в результате которого одновибратор вернется в свое прежнее состояние. Конденсатор С через резистор RKl вновь зарядится почти до полного напря­

следовательности запускающих импульсов на коллекторах тран­ зисторов ТI и Г2 будут получены прямоугольные импульсы на­ пряжения (см. рис. 11.8).

Длительность отрицательного импульса напряжения на кол­ лекторе транзистора Т2, равная времени запирания этого тран­ зистора, будет зависеть от постоянной времени цепи перезаряда конденсатора С и от величины напряжения смещения, подавае­ мого на базу. Если импульсы выходного напряжения с коллек­ тора подать на вход дифференцирующей цепи, то на ее выходе получатся две последовательности коротких импульсов (смрис. 11.8). Импульсы одной последовательности будут совпадать по времени с запускающими, а импульсы другой последовательно­ сти будут сдвинуты во времени на величину tn относительно за­ пускающих импульсов-

При использовании одностороннего ограничителя можно сре­ зать импульсы, которые совпадают по времени с запускающими, и получить последовательность импульсов, сдвинутых во времени на величину tu относительно запускающих импульсов.

Спомощью одноівибратора можно выполнять две операции:

1)превращать кратковременные импульсы в прямоугольные

импульсы большей длительности; 2) задерживать кратковременные импульсы на требуемое

время.

Как уже было отмечено при рассмотрении запуска триггера, для переключения транзистора из открытого состояния в закры­ тое требуется большая энергия, поэтому переключать схему целесообразно не запирающими, а отпирающими (отрицатель­ ными) импульсами.

Запуск можно осуществлять как по цепи коллектора, так и по цепи базы. Однако диодный запуск по цепи коллектора, как и при запуске триггера, обладает целым рядом преимуществ и поэтому предпочтителен. Основное преимущество заключается

15Э

§ 11.5. РАСЧЕТ МУЛЬТИВИБРАТОРА

Расчет мультивибратора, как н других ключевых схем, разби­ вается на расчет статического режима из условия надежного обеспечения двух временно устойчивых состояний и расчет дина­ мического режима из условия обеспечения необходимого быстро­ действия и частоты следования импульсов.

Исходными данными для расчета обычно являются: ампли­ туда выходного напряжения ІІт (или напряжение источника питания £ к), частота f, длительность импульса (если мультивиб­ ратор несимметричный) и длительность фронта импульса.

В процессе расчета необходимо выбрать тип транзистора, определить значение напряжения источника питания Ек (если оно не задано), величину емкости конденсатора Си значение ре­ зистора смещения Re и нагрузки RK.

П о р я д о к р а с ч е т а

1.Выбирается напряжение источника питания из соотноше­ ния £„= (1,І-=-1,2) Um.

2.Выбираем тип транзистора. Первоначально определяем требования к транзисторам. Транзисторы должны иметь по воз­ можности меньший разброс коэффициента усиления ß. Наилуч­ шими в этом смысле являются транзисторы типа П16, П16А, П16Б.

Минимальное значение коэффициента усиления по току опре­ деляется из условия: ß> 15(Q—1), где Q — скважность. В пер­ вый момент после переключения мультивибратора пиковое зна­ чение напряжения на коллекторном переходе запертого транзи­

выбор транзистора по напряжению необходимо выполнять из условия ІЛ{.б.макс>2£к, где £,(.б.макс — предельно допустимое на­ пряжение на коллекторе транзистора в схеме с общей базой, определяемое из паспортных данных.

Для быстродействующего мультивибратора следует выбирать транзистор с высокой максимальной частотой.

3. Выбираем коллекторный резистор RK.

Вследствие того, что емкости заряжаются через коллекторное сопротивление и время их заряда определяет длительность фронта импульса мультивибратора, величина сопротивления должна быть достаточно малой. Однако при этом не должны превышаться мощность рассеяния на коллекторе транзистора

и максимально допустимый коллекторный ток. Вторым условием

£

для выбора резистора £„ является 'Ѵмакс^ тг~ ■ Обычно вели- ■^К

чина £ н выбирается в пределах 1-=-5 кОм.

160

Теперь проверим, не будет ли превышена предельно допусти-- мая средняя мощность рассеивания в транзисторе. Электриче­ ский режим работы транзистора почти не отличается от режима работы в схеме триггера за исключением того, что напряжение Uк.о запертого транзистора изменяется от значения 2ЕК до Ек, и средняя мощность за этот период времени

2ЕК+ Ек , _(и_

2к0 Т

Востальном формула определения средней мощности, выведен­

ная для схемы триггера, справедлива и для мультивибратора, т. е.

^Ср= у - [1>5£к•/ко у - + £/к.н (Ас.» + /6.„)(^—О +

Н— ^ ^ к Л с .н (^ ф - М с ) •

Если частота следования импульсов очень низкая, то можно пренебречь третьим слагаемым, а если высокая, то первым.

4. Выбираем величину резистора базы RQ.

Частоту следования импульсов мультивибратора определяем через резистор базы и емкость конденсатора из следующего соотношения:

/ = ---- 5---- • 1ARÖCK

Чтобы схема была более стабильной, необходимо резистор Rs выбирать как можно меньшим, а емкость как можно большей. Использование в мультивибраторе режима насыщения позво­ ляет значительно повысить стабильность схемы и получить пло­ скую вершину импульса. Не следует, однако, применять глубо­ кое насыщение транзистора, так как это снижает быстродей­ ствие.

Коэффициент насыщения транзистора в мультивибраторе

и0,7 R6CK

(для симметричного мультивибратора). Следует учитывать, что емкость, подключенная к коллектору транзистора, добавляется к выходной емкости, что приводит к затягиванию фронта импульса.