4_6_3

Общие сведения

Под электрическим импульсом понимают кратковременное отклонение напряжения или тока от некоторого постоянного уровня. Виды и параметры импульсных сигналов рассматривались в п.4.3.1.

В импульсной технике широко применяются генераторы прямоугольных импульсов, которые относятся к классу релаксационных генераторов. Колебания, в которых медленные изменения чередуются со скачкообразными, называют релаксационными. Такими колебаниями являются, в частности, прямоугольные и пилообразные импульсы.

Подобно генераторам синусоидальных (гармонических) напряжений, релаксационные преобразуют энергию источника постоянного тока в энергию электрических колебаний. Однако, если в генераторе гармонических колебаний LC-типа происходит непрерывный обмен энергией между конденсатором и катушкой контура и за период расходуется обычно небольшая часть энергии, полученной от источника, то в релаксационном генераторе в течение одной части периода энергия запасается в реактивном элементе только одного типа, обычно в конденсаторе, а в другую часть периода выделяется в виде тепла в резисторах схемы.

Усилительный элемент работает в данном случае в ключевом режиме, переключая конденсатор с зарядки на разрядку и обратно.

Релаксационные генераторы могут работать в автоколебательном и ждущем режимах, а также в режиме синхронизации и деления частоты.

Генератор в автоколебательном режиме генерирует колебания непрерывно. В ждущем режиме генератор «ждет» поступления запускающего сигнала, с приходом которого выдает один импульс. В режимах синхронизации и деления частоты длительность периода колебаний «навязана» данному генератору напряжением другого генератора.

К релаксационным генераторам, вырабатывающим электрические колебания, близкие по форме к прямоугольным, относятся мультивибраторы и блокинг-генераторы.

Мультивибратор (от латинских слов multim – много и vibro – колеблю).

Мультивибраторы выполняют на дискретных компонентах ( в частности, транзисторах), операционных усилителях, цифровых интегральных схемах. Структуры микросхем мультивибраторов во многом повторяют схемы на дискретных компонентах.

Мультивибраторы на транзисторах

Основная схема автоколебательного мультивибратора. Действие мультивибратора основано на следующих положениях. Прямоугольные импульсы формируются на коллекторе транзистора:

плоская вершина – когда транзистор заперт и его коллектор имеет относительно высокий (по абсолютному значению) потенциал;

пауза между импульсами – когда транзистор насыщен и потенциал его коллектора мал.

Длительности указанных состояний транзистора определяются напряжениями на конденсаторах схемы, которые имеют возможность периодически заряжаться и разряжаться. Крутые фронты импульса обеспечиваются лавинообразным переходом транзистора из одного состояния в другое за счет положительной обратной связи и усилительных свойств транзисторов в схеме; их совместное действие приводит к тому, что каждое последующее приращение потенциала на электроде транзистора совпадает по знаку с предыдущим приращением и превышает его по значению.

Мультивибратор, собранный по основной схеме (рис.4.73,а), представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель, построенный на транзисторных ключах-инверторах.

Положительная обратная связь имеется в схеме за счет того, что выход одного ключа соединен с входом другого. Действительно, если относительно эмиттера потенциал базы транзистора VT1 станет, к примеру, более отрицательным, то потенциал коллектора VT1 (и базы VT2) окажется более положительным, а потенциал коллектора VT2 (и базы VT1) – более отрицательным. Так, к первоначальному приращению потенциала добавляется приращение того же знака, поступающее в исходную точку по петле обратной связи. Заметим, что цепь положительной обратной связи замыкается и нормально функционирует, когда оба транзистора отперты и работает в активном (усилительном) режиме.

а б

Рис.4.73 Мультивибратор на биполярных транзисторах (а) и временные диаграммы работы (б)

Физические процессы в мультивибраторе. Рассмотрение работы мультивибратора начнем с момента, когда транзистор VT2 насыщен, конденсатор С2 (полярность его напряжения uC2 показана на рис.4.73) разряжается и напряжение на нем приближается к нулю.

Транзистор VT1 напряжением uC2 заперт, так как левая по схеме обкладка С2 непосредственно соединена с базой VT1, а правая оказывается подсоединенной к эмиттеру VT1 через насыщенный транзистор VT2.

Реальность такого состояния будет показана далее. Ему соответствуют временные диаграммы (рис.4.73,б до момента времени t1), в соответствии с которыми uБ2 ≈ 0, uК2 ≈ 0. Каждый период следования формируемых импульсов можно разбить на ряд стадий.

Формирование фронта импульса. Когда напряжение uC2 на разряжающемся конденсаторе С2 станет примерно равным нулю, транзистор VT1 отпирается.

При одновременно отпертых транзисторах замыкается цепь положительной обратной связи – в схеме создаются условия для лавинообразного процесса. Отпирание транзистора VT1 приводит к уменьшению отрицательного потенциала его коллектора. Так как напряжение на конденсаторе С1 не может изменяться мгновенно, то этот положительный скачок напряжения целиком прикладывается между базой и эмиттером VT2, что вызывает уменьшение тока в его цепи. Вследствие этого потенциал коллектора VT1 становится более отрицательным – отрицательный скачок напряжения через конденсатор С2 передается на базу транзистора VT1, что приводит к еще большему отпиранию его и т. д.

Так как каждый последующий скачок напряжения на базе больше предыдущего (за счет усилительных свойств транзисторов), то описанный процесс нарастает лавинообразно и спустя небольшое время, исчисляемое долями микросекунды, транзистор VT2 оказывается запертым. С этого момента цепь положительной обратной связи обрывается и лавинообразный процесс прекращается.

Параметры схемы выбраны так, что открывшийся транзистор VT1 оказывается в режиме насыщения. Запиранию транзистора VT2 соответствует участок ab кривой uК2 (рис.4.73,б).

Во время лавинообразного процесса напряжение на конденсаторе С2 не успевает измениться. Только после запирания транзистора VT2 этот конденсатор начинает заряжаться током iз по цепи: +Ек – «земля» – эмиттер – база насыщенного транзистора VT1 – С2 – Rк1 –(– Ек). За счет этого напряжение на коллекторе VT2 uк2 = – (Ек – i3Rк2) постепенно приближается к установившемуся значению (участок bс кривой uк2 ). Когда конденсатор С2 зарядится iз = 0), напряжение на коллекторе примет значение uк2 ≈ –Ек. На этом формирование фронта импульса закончится.

Формирование плоской вершины импульса. До момента времени t1 конденсатор С1, присоединенный к коллектору запертого прежде транзистора VT1, был заряжен до напряжения uс2 ≈ Ек (аналогично тому, как сейчас заряжен конденсатор С2, присоединенный к коллектору запертого транзистора VT2). После насыщения транзистора VT1 напряжение на этом конденсаторе оказывается приложенным между базой и эмиттером транзистора VT2 и удерживает его запертым. Поэтому напряжение uк2 остается неизменным – на коллекторе VT2 формируется плоская вершина импульса.

При насыщенном транзисторе VT1 конденсатор С1 получает возможность разряжаться по цепи: +Ек – «земля» – VT1 – С1 – RБ2 – (–Ек). Когда напряжение на нем окажется близким к нулю, транзистор VT2 отпирается и в схеме вновь создаются условия для лавинообразных процессов. На этом (в момент t2) формирование плоской вершины заканчивается.

Формирование среза импульса. Начавшийся лавинообразный процесс протекает аналогично описанному с той лишь разницей, что теперь напряжение на коллекторе VT1 по абсолютному значению увеличивается, а напряжение на коллекторе VT2 уменьшается. В результате транзистор VT1 запирается, а транзистор VT1 насыщается – на коллекторе VT2 формируется срез импульса (участок de кривой uк2 ).

Пауза. Через насыщенный транзистор VT2 происходит разрядка конденсатора С2 по цепи: + Ек –«земля» – VT2 – С2 – RБ1 –(– Ек) (аналогично через соответствующие элементы схемы ранее разряжался конденсатор С1). Пока напряжение uс2 не приблизится к нулю, транзистор VT1 заперт, а транзистор VT2 насыщен. После отпирания VT1 начнется формирование очередного импульса на коллекторе VT2. Интервал t2 – t3 – пауза между импульсами.

Указанное состояние схемы (транзистор VT1 заперт, транзистор VT2 насыщен, конденсатор С2 разряжается) совпадает с тем состоянием, с которого было начато рассмотрение работы мультивибратора.

В интервале t2 – t3 наряду с разрядкой конденсатора С2 происходит зарядка конденсатора С1 по цепи: +Ек – «земля» – эмиттер – база VT2 – С1 – (–Ек). Аналогично ранее заряжался конденсатор С2, когда транзистор VT1 был насыщен, а транзистор VT2 заперт.

Из рассмотренной работы мультивибратора следует, что когда насыщен транзистор VT1 и разряжается конденсатор С1, заперт транзистор VT2; когда насыщен транзистор VT2 и разряжается конденсатор С2, заперт транзистор VT1.

Таким образом, формирование импульса на коллекторе VT2 соответствует паузе между импульсами на коллекторе VT1 и наоборот, а уменьшающийся положительный потенциал на базе VT2 соответствует приблизительно нулевому потенциалу на базе VT1 и наоборот. Это показано на рис.4.73,б, где кроме рассмотренных временных диаграмм uБ2 и uк2 приведены соответственно смещенные временные диаграммы uБ1 и uк1.

Заметим, что если бы разрядка конденсатора (например, С1) не обрывалась из-за лавинообразного запирания транзистора VT1, то конденсатор перезарядился бы, т. е. напряжение на нем (и на базе транзистора VT2) изменило бы полярность и экспоненциально достигло значения – Ек (пунктирные кривые на рис.4.71,б).

Особенностью рассмотренных процессов является также отрицательный выброс на базе отпирающегося транзистора. Так, при отпирании транзистора VT2 (например, в момент t2 ) он обусловлен передачей через конденсатор С1 отрицательного перепада с коллектора закрывшегося транзистора VT1, а при отпирании транзистора VT1 – передачей через конденсатор С2 отрицательного перепада с коллектора закрывшегося транзистора VT2.

Мультивибратор на логических элементах

Выходным каскадом цифровой интегральной схемы И – НЕ, а также ИЛИ – НЕ является усилитель (инвертор). Это дает возможность построить на таких элементах мультивибратор, аналогичный мультивибратору на транзисторах. За счет положительной обратной связи в схеме развивается лавинообразный процесс, благодаря чему переход выходного напряжения с одного уровня на другой происходит с большой скоростью. Предполагается, что мультивибраторы, рассматриваемые в данном параграфе, выполнены на микросхемах ТТЛ.

Автоколебательный мультивибратор. Схема автоколебательного мультивибратора приведена на рис.4.74,а. Входы каждого из элементов Э1 и Э2 соединены – элементы использованы как усилители-инверторы. Выход одного элемента связан со входом другого цепью С1 – R2 (C2 -R1), за счет чего (так же, как и в схеме транзисторного мультивибратора) создается положительная обратная связь.

Диоды VD1, VD2 являются защитными, напряжение на них не может быть ниже UД отп ≈ – 0,7В. В отсутствие VD1, VD2 на входы элементов через конденсаторы будут передаваться значительные отрицательные перепады напряжений, что выведет микросхемы из строя. Если защитные диоды имеются внутри самих микросхем, то необходимость установки их снаружи отпадает. Изменения потенциалов на выходах элементов обусловлены перезарядкой конденсаторов С1, С2.

Рассмотрим процессы в описываемой схеме, начиная с момента, когда на выходе Э1 потенциал скачком увеличился на Δu1, а на выходе Э2 – скачком уменьшился (рис 4.74,б). Вслед за этим под действием высокого уровня uвых1 конденсатор С1 начинает заряжаться через выходное сопротивление элемента Э1 и резистор R2. Напряжение на резисторе R2 от тока зарядки С1 имеет положительную полярность на входе Э2 и поддерживает этот элемент в открытом состоянии (uвых2 = U0). В это время конденсатор С2 быстро разряжается через малое выходное сопротивление открытого элемента Э2 и диод VD1, напряжение на входе элемента Э1 (на отпертом диоде) мало, и он удерживается запертым (uвых1 ≈ U1).

Рис.4.74 Мультивибратор на логических элементах (а) и временные диаграммы его работы (б)

По мере зарядки конденсатора С1 ток зарядки уменьшается. За счет этого снижается падение напряжения на выходном сопротивлении элемента Э1 (благодаря чему uвых1 возрастает), а также уменьшается напряжение uвх2 на входе элемента Э2.

В некоторый момент напряжение uвх2 уменьшается до значения, при котором рабочая точка элемента Э2 выходит на активный участок передаточной характеристики, где уменьшение uвх2 вызывает увеличение uвых2. Через конденсатор С2 это воздействует на вход элемента Э1. После того как uвх1 возрастет до определенного уровня, рабочая точка элемента Э1 тоже выйдет на активный участок передаточной характеристики.

Когда оба элемента будут находиться в активном (усилительном) режиме, вступит в действие положительная обратная связь, за счет которой uвых2 лавинообразно увеличивается, a uвых1 аналогично уменьшается. В результате Э1 открывается (uвых1 = U0), a Э2 закрывается (uвых2 ≈ U1). На рис.4.74,б это соответствует тому, что uвх2 становится равным пороговому напряжению Uпор.

После этого конденсатор С2 начинает заряжаться, а конденсатор С1 быстро разряжается через диод VD2 и выходное сопротивление открытого элемента Э1 – наступает второй полупериод, процессы в котором подобны описанным.

Напряжение на входе каждой микросхемы пропорционально току через резистор R1(R2), т. е. экспоненциально уменьшается по мере зарядки конденсатора С2(С1).

Если считать, что с момента появления импульса напряжение на входе элемента Э2 уменьшается от уровня U1 и стремится к нулю, то

uвх2 = U1е-t/τ1,

где τ1 = С1(R2 + Rвых1) – постоянная времени зарядки конденсатора С1.

Полагая к тому же, что переключение элементов (окончание импульса) наступает, когда uвх2 снижается до порогового напряжения Uпор, из предыдущего выражения получаем

Uпор = U1е-tи2/τ1.

Отсюда приближенное значение длительности импульса на выходе Э2 (при переходе от натуральных логарифмов к десятичным)

tи2 = 2,3 τ1 lg(U1/Uпор).

Аналогично, длительность импульса на выходе элемента Э1:

tи1 = 2,3 τ2 lg(U1/Uпор),

где τ2 = С1(R2 + Rвых2).

Период колебаний мультивибратора:

Т = tи1 + tи2 = 2,3 (τ1 + τ2)lg(U1/Uпор).

При С1 = С2 = С и R1 = R2 = R τ1 = τ2 = C(R + Rвых),

tи1 = tи2 = tи = 2,3 τ lg(U1/Uпор), T = 4,6 lg(U1/Uпор).

В этом случае мультивибратор называют симметричным.

Недостатком рассмотренного мультивибратора является возможность такого состояния, при котором оба элемента оказываются одновременно закрытыми (например, при медленном нарастании питающего напряжения при включении). Чтобы колебания могли появиться, схему дополняют элементом И и соответствующими связями (рис.4.75).

Если мультивибратор работает нормально (т. е. имеют место состояния, когда один из элементов Э1, Э2 заперт, а другой отперт), то на входе элемента И разные логические уровни и на выходе его – логический нуль. При этом правый по схеме вывод резистора R1 через низкое выходное сопротивление открытого элемента Э4, по существу, соединен с «землей» – принципиально схема аналогична приведенной на рис.4.74,а. Если элементы Э1, Э2 одновременно заперты, на входах элемента И логические единицы и логической единицей с выхода Э4 открывается элемент Э1 – в схеме появляются условия для возникновения колебательного процесса.

Рис.4.75

Ждущий мультивибратор. Схема ждущего мультивибратора (рис.4.76,а) отличается от схемы автоколебательного мультивибратора отсутствием второй времязадающей цепи и наличием цепи запуска, включающей инвертор Э3. В исходном состоянии напряжение uвх2 = iвх2R незначительно и поэтому uвых2 = U1 (элемент Э2 закрыт). Кроме того, uзап = 0, поэтому на обоих входах Э1 – логические 1, так что uвых1 = U0 (элемент Э1 открыт). При этом конденсатор С разряжен.

Положительный запуск. Положительный запускающий импульс обеспечивает на верхнем входе элемента Э1 логический 0, благодаря чему напряжение на выходе Э1 возрастает скачком (рис.4.76,б). Через конденсатор С положительный перепад Δu1 передается на вход элемента Э2,и он устанавливается в состояние логического 0 (uвх2 = U0). Теперь на втором входе элемента Э1 логический 0, поэтому высокий потенциал на выходе Э1 сохраняется и после окончания запускающего импульса.

После описанного переключения элементов начинается зарядка конденсатора С под действием напряжения на выходе Э1, в результате чего uвх2 уменьшается. Когда, благодаря этому, рабочая точка элемента Э2 выходит на активный участок передаточной характеристики, вслед за уменьшением uвх2 начинают увеличиваться напряжения uвых2 и uвых1. За счет последнего рабочая точка элемента Э1 тоже выходит на активный участок передаточной характеристики – в схеме замыкается цепь положительной обратной связи, благодаря чему переключение элементов происходит лавинообразно: Э1 открывается (uвых1 = U0), a Э2 закрывается (uвых2 = U1).

После этого конденсатор С разряжается через малое выходное сопротивление открытого элемента Э1 и диод VD, и в схеме восстанавливается исходный режим.

С приходом следующего запускающего импульса описанные процессы повторяются. Заметим, что на выходе Э2, к которому не подключен конденсатор, импульс имеет лучшую форму, чем на выходе Э1.

Длительность сформированного импульса можно определить по формуле, выведенной для автоколебательного мультивибратора, в которой нужно считать τ1 = CR.

Рис.4.76 Ждущий мультивибратор

Мультивибратор на операционном усилителе

Возможность построения мультивибратора на интегральной микросхеме операционного усилителя (ИМС ОУ) или компаратора обусловлена тем, что напряжение на ее выходе может скачком переходить от +Uнас к -Uнас и наоборот при изменении знака разности входных напряжений u(+) – u(–).

Чтобы получить последовательность прямоугольных импульсов (реализовать автоколебательный мультивибратор), знак указанной разности должен изменяться периодически в ходе процессов, протекающих непосредственно в самой схеме. В ждущем мультивибраторе разность u(+) – u(–) должна принимать один знак под действием запускающего импульса, а противоположный – в результате изменений электрического состояния схемы.

Автоколебательный мультивибратор. Для периодического изменения знака u(+) – u(–) на вход (+) ИМС ОУ (рис.477,а) с делителя R2 – R3 подается часть выходного напряжения, неизменная в течение полупериода uвых :

u(+) = γUнас,

где γ = R3/(R3 + R2), а на вход (–) – напряжение с конденсатора С, заряжающегося под действием всего значения uвых = Uнас.

Рис.4.77 Мультивибратор на операционном усилителе

За счет этого в процессе зарядки конденсатора напряжение на входе (–) может превышать по абсолютному значению напряжение на входе (+), в результате чего напряжение на выходе скачкообразно изменяет знак.

Временные диаграммы (рис.4.77,б) иллюстрируют сказанное. Если, uвых = U+нас, то конденсатор С заряжается до момента времени t1, когда напряжение на нем (uc) окажется чуть больше γU+нас. Вслед за этим, как только транзисторы ИМС выходят из насыщения, восстанавливается действие положительной обратной связи: уменьшение u(+) = uR3 вызывает дальнейшее уменьшение uвых и т. д. В результате, выходное напряжение весьма быстро достигает уровня U-нас (рис.4.77,в). С этого момента конденсатор перезаряжается до тех пор, пока напряжение на нем (при t = t2) не станет чуть меньше γU+нас, после чего начинается переключение uвых, к уровню U+нас.

Как следует из изложенного, подключение цепи R1С к выходу ИМС обеспечивает автоматическое переключение конденсатора с зарядки (когда uвых = U+нас) на разрядку (когда uвых = U-нас) и, как следствие этого, изменение знака u(+) – u(–).