Мультивибратор

Принципиальная схема "классического" простейшего транзисторного мультивибратора

Мультивибратор — релаксационный генератор сигналов электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Термин предложен голландским физиком ван дер Полем, так как в спектре колебаний мультивибратора присутствует множество гармоник — в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»).

Мультивибратор был описан Икклзом и Джорданом в 1918 году.

Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых элементов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и так далее), режиму работы (автоколебательный, ждущие синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и так далее.

Отнесение мультивибратора к классу автогенераторов оправдано лишь при автоколебательном режиме его работы. В ждущем режиме мультивибратор вырабатывает импульсы только тогда, когда на его вход поступают синхронизирующие сигналы. Режим синхронизации отличается от автоколебательного тем, что в этом режиме с помощью внешнего управляющего (синхронизирующего) колебания удаётся подстроить частоту колебаний мультивибратора под частоту синхронизирующего напряжения или сделать кратной ей (захват частоты) для автоколебательных мультивибраторов.

Симметричным мультивибратор называют при попарном равенстве сопротивлений резисторов R1 и R4, R2 и R3, ёмкостей конденсаторов C1 и C2, а также параметров транзисторов Q1 и Q2.

Симметричный мультивибратор генерирует прямоугольные колебания со скважностью 2 "типа меандр", то есть сигнал, в течение периода которого длительность импульса и длительность паузы одинакова.

Симметричный мультивибратор по «классической» схеме (см. рисунок) широко используется для учебных и демонстрационных целей в качестве простейшего по устройству генератора электрических колебаний. Работу этой схемы легко понять и она очевидна, а также не требует для своей реализации неудобных индуктивностей и трансформаторов.

Существуют три типа схем мультивибратора в зависимости от режима работы:

• нестабильный, или автоколебательный: схема самопроизвольно переходит из одного состояния в другое. При этом не обязателен сигнал синхронизации, если не требуется захват частоты;
• моностабильный: одно из состояний является стабильным, но другое состояния неустойчиво (переходное). Мультивибратор на некоторое время, определяемое параметрами его компонентов переходит в неустойчивое состояние под действием запускающего импульса. Затем возвращается в устойчивое состояния до прихода очередного запускающего импульса. Такие мультивибраторы используются для формирования импульса с фиксированной длительностью, не зависящей от длительности запускающего импульса. Такой тип мультивобраторов иногда, в литературе, называют одновибраторы или ждущие мультивибраторы.
• бистабильный: схема устойчива в любом состоянии. Схема может быть переключена из одного состояния в другое с помощью внешних импульсов. Такие устройства называют триггерами, название "мультивибратор" не совсем корректно, так как двусмысленно.

Приведенная схема мультивибратора на двух транзисторах сейчас почти не применяется, так как имеет плохие частотные свойства и не очень крутые фронты, что ограничивает частоту его генерации до единиц МГц. На более высоких частотах оба транзистора запираются и для восстановления работы устройство надо перезапускать, что во многих случаях неприемлемо.

Принцип действия

Схема транзисторного мультивибратора с коллекторно-базовыми ёмкостными связями.

Схема может находиться в одном из двух нестабильных состояний и периодически переходит из одного в другое и обратно. Фаза перехода очень короткая благодаря положительной обратной связи между каскадами усиления.

Состояние 1: Q1 закрыт, Q2 открыт и насыщен, C1 быстро заряжается базовым током Q2 через R1 и Q2, после чего при полностью заряженном C1 (полярность заряда указана на схеме) через R1 не течет ток, напряжение на C1 равно (ток базы Q2)* R2, а на коллекторе Q1 — питанию.

Напряжение на коллекторе Q2 невелико (падение на насыщенном транзисторе).

C2, заряженный ранее в предыдущем состоянии 2 (полярность по схеме), начинает медленно разряжаться через открытый Q2 и R3. Пока он не разрядился, напряжение на базе Q1 = (небольшое напряжение на коллекторе Q2) — (большое напряжение на C2) — то есть отрицательное напряжение, наглухо запирающее транзистор.

Состояние 2: то же в зеркальном отражении (Q1 открыт и насыщен, Q2 закрыт).

Переход из состояния в состояние: в состоянии 1 C2 разряжается, отрицательное напряжение на нём уменьшается, а напряжение на базе Q1 — растет. Через довольно длительное время оно достигнет ноля. Разрядившись полностью, С2 начинает заряжаться в обратную сторону, пока напряжение на базе Q1 не достигнет примерно 0,6 В.

Это приведет к началу открытия Q1, появлению коллекторного тока через R1 и Q1 и падению напряжения на коллекторе Q1 (падение на R1). Так как C1 заряжен и быстро разрядиться не может, это приводит к падению напряжения на базе Q2 и началу закрытия Q2.

Закрытие Q2 приводит к снижению коллекторного тока и росту напряжения на коллекторе (уменьшение падения на R4). В сочетании с перезаряженным C2 это ещё более повышает напряжение на базе Q1. Эта положительная обратная связь приводит к насыщению Q1 и полному закрытию Q2.

Такое состояние (состояние 2) поддерживается в течение времени разряда C1 через открытый Q1 и R2.

Таким образом, постоянная времени одного плеча есть С1 * R2, второго — C2 * R3. Это дает длительность импульсов и пауз.

Также эти пары подбираются так, чтобы падение напряжения на резисторе в условиях протекания через него тока базы было бы большим, сравнимым с питанием.

R1 и R4 подбираются на много меньшие, чем R3 и R2, чтобы зарядка конденсаторов через R1 и R4 была быстрее, чем разрядка через R3 и R2. Чем больше будет время зарядки конденсаторов, тем положе окажутся фронты импульсов. Но отношения R3/R1 и R2/R4 не должны быть больше, чем коэффициенты усиления соответствующих транзисторов, иначе транзисторы не будут открываться полностью.

Частота мультивибратора

Длительность одной из двух частей периода равна

$t = \ln2 \cdot R C$

Длительность периода из двух частей равна:

$T = t_1 + t_2 = \ln2 \cdot R_2 C_1 + \ln2 \cdot R_3 C_2$

$f = \frac1{T} = \frac1{\ln2 \cdot (R_2 C_1 + R_3 C_2)} \approx \frac1{0.693 \cdot (R_2 C_1 + R_3 C_2)}$

где

• f частота в Гц.

• R₂ и R₃ величины резисторов в Омах.

• C₁ и C₂ величины конденсаторов в Фарадах.

• T — длительность периода (В этом случае, сумма двух частей периода).

В особом случае когда

• t₁ = t₂ (50 % цикл)

• R₂ = R₃

• C₁ = C₂

$f = \frac1{T} = \frac1{\ln2 \cdot 2RC} \approx \frac{0.721}{RC}$

Выходные формы импульса

Выходное напряжение имеет форму, приблизительно квадратной формы волны. Считается ниже транзистора Q1. В состоянии 1 , Q2 база-эмиттер в обратном направлении и конденсатор С1 "отцепленный" от земли. Выходное напряжение включенного транзистора Q1 быстро меняется от высокого(пределы: более 1кВ) к низкому(пределы: до 250 В), так как это низко-резистивного выход, то загружается высокий импеданс нагрузки (последовательно соединенных конденсаторов С1 и высокоомных базу резистор R2). Во время состояния 2 , Q2 база-эмиттер в прямом смещением и конденсатор С1 "подключили" к земле. Выходное напряжение выключенного транзистора Q1 изменяется экспоненциально от низкого до высокого, так как это относительно высокий резистивный выход, то загружается низкий импеданс нагрузки (емкость C1). Это для выходного напряжения R 1 C 1 интегрирующей цепи. Чтобы приблизиться к необходимой площади сигнала,нужно, чтобы ток коллектора резисторов был ниже сопротивления. База резисторов должна быть достаточно низкой, чтобы насытить транзисторы в конце восстановления (R B <β.R C ).

Начальное питание

Однако, если схема временного хранения и с высокой базы, длиннее, чем требуется для полной зарядки конденсаторов, то схема будет оставаться в стабильном состоянии, как с базы на 0,6 В, и коллекторы на 0 В, и оба конденсатора разряжаются до -0,6 В. Это может произойти при запуске без внешнего вмешательства, если R и С и очень мало.

Защитные компоненты

Хотя это и не основополагающее значение для работы схемы, диоды соединенные последовательно с базой или эмиттером транзисторов необходимы, чтобы предотвратить переход база-эмиттер, их гонят в обратном направлении пробоя, когда напряжение питания превышает V EB напряжение пробоя, как правило, около 5 -10 вольт для кремниевых транзисторов общего назначения.

Мультивибратор на операционном усилителе

Конденсатор С и резисторы R1, R2 образуют интегрирующую RC-цепь: при заряде конденсатора открыт диод V1, ток проходит через R1, при разряде - открыт V2, ток идет через R2. Источником напряжения E является входная цепь ОУ. Компаратор выполнен на ОУ с положительной обратной связью через цепь R3R4. При переключении компаратора на его выходе происходит коммутация цепей заряда и разряда конденсатора C, т.е. ОУ выполняет сразу несколько функций: источника напряжений разряда и заряда конденсатора, компаратора и ключа.

Мультивибратор на операционном усилителе

Ждущие мультивибраторы

Моностабильный (одностабильный) мультивибратор

Рис.2. Одностабильный мультивибратор.

Разновидность ждущего мультивибратора, имеющего одно стабильное состояние и одно неустойчивое. При поступлении переключающего импульса одностабильный мультивибратор переключается в неустойчивое состояние на период времени $t=\ln(2)\cdot R_2 \cdot C_1$ (для схемы на рис. 2), а затем возвращается в устойчивое состояние. Иногда также называется одновибратором.

Одновибраторы применяются для преобразования формы импульсов в расширителях импульсов^[1][2]

Бистабильный мультивибратор

Рис.3. Бистабильный мультивибратор (триггер)

Бистабильный мультивибратор — разновидность ждущего мультивибратора, который имеет два стабильных состояния, характеризующихся разными уровнями напряжения на выходе. Как правило, переключаются эти состояния сигналами, поданными на разные входы, как показано на рис. 3. В этом случае бистабильный мультивибратор представляет собой триггер RS-типа. В некоторых схемах для переключения используется один вход, на который подаются импульсы различной либо одной полярности.

Бистабильный мультивибратор кроме выполнения функции триггера применяется также для построения генераторов, синхронизированных с внешним сигналом. Такой тип бистабильных мультивибраторов характеризуется минимальным временем пребывания в каждом из состояний или минимальным периодом колебаний. Изменение состояния мультивибратора возможно только по прошествии определенного времени с момента последнего переключения и происходит в момент поступления синхронизирующего сигнала.

На рис. 4 показан пример синхронизированного генератора, выполненного с использованием синхронного D-триггера. Переключение мультивибратора происходит при положительном перепаде напряжения на входе (по фронту импульса). Рис. 4. Бистабильный мультивибратор в роли синхронизированного генератора

См. также

• Триггер
• Операционный усилитель
• Генератор электронный

Примечания

1. ↑ http://library.espec.ws/books/constructor/Part1/1-3.htm Расширители импульсов
2. ↑ http://cxem.net/beginner/beginner27.php Расширители импульсов

Ссылки

• http://www.falstad.com/circuit/e-multivib-a.html - Java-апплет
• http://www.radiokot.ru/articles/07/ - Практическое применение операционных усилителей. Часть третья. Мультивибратор.
• http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/op/funop_14_1_1.htm - Автоколебательный мультивибратор
• http://www.radioland.net.ua/contentid-368-page2.html - Мультивибраторы