ждущий мультивибратор с эмиттерной связью

Лабораторная работа № 13
МУЛЬТИВИБРАТОР С КОЛЛЕКТОРНО-БАЗОВЫМИ
СВЯЗЯМИ В АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ
Цель работы. Изучить работу мультивибратора с коллекторнобазовыми связями в автоколебательном режиме, рассчитать и исследовать
схему симметричного и несимметричного мультивибраторов.
Мультивибратор является генератором релаксационного типа. В таких
устройствах происходит чередование медленных и быстрых процессов. Колебания, генерируемые мультивибратором, имеют сложную форму, чаще
всего близкую к прямоугольной. Спектр частот таких колебаний очень широкий, что и определило название мультивибратора как генератора множества колебаний.
В радиоэлектронных устройствах мультивибраторы выполняют функции задающих генераторов, делителей частоты следования импульсов, расширителей импульсов и т. д. Широкий диапазон применения мультивибраторов определил разновидности их схем.
Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми связями (рис. 13.1)
представляет собой два усилителя, собранных по схеме с общим эмиттером
и охваченных цепью глубокой положительной обратной связи: выход усилителя на транзисторе VТ1 через цепочку С1Rб2 подключен к входу каскада
на транзисторе VТ2, а выход усилителя на транзисторе VТ2 через цепочку
С2Rб1 – ко входу каскада на транзисторе VT1.
–Eп
Rк1
Iк1
Rб1
Rб2
С1
Iк2
Rк2
С2
VT1
VT2
2
Uк1
Uб1
Rн
Uк2
Uб2
Рис. 13.1
109
Как известно, для существования стационарных колебаний в генераторе
необходимо выполнение условий баланса фаз и баланса амплитуд. В данной схеме баланс фаз обеспечивается тем, что в каждом из двух усилителей
напряжение на выходе сдвинуто по отношению к входному на 180, и в
итоге полный сдвиг фаз по всей цепи обратной связи составляет 360. Баланс амплитуд обеспечивается необходимыми коэффициентами усиления
по напряжению каждого из усилителей. Обратная связь включается при работе каскадов в активном режиме в момент переключения и отключается,
когда в схеме начинают протекать медленные процессы заряда и перезаряда
конденсаторов. В симметричном мультивибраторе соблюдаются следующие соотношения между элементами: Rк1 = Rк2 = Rк, Rб1 = Rб2 = Rб,
С1 = С2 = С, а транзисторы по параметрам должны быть идентичны.
Процесс самовозбуждения мультивибратора, т. е. возникновения в нем
колебаний, можно пояснить следующим образом. Предположим, что после
включения схемы оба транзистора открыты и через них текут равные по величине и направлению коллекторные токи iк1 и iк2. Но это состояние неустойчиво. В самом деле, пусть вследствие какой-либо флуктуации произойдет увеличение тока iк1. Это увеличение iк1 вызывает рост падения
напряжения на резисторе Rк1 и снижение по абсолютной величине напряжения Uк1 на некоторое малое значение Uк1 (рис. 13.1). Этот перепад
напряжений Uк1 через цепочку обратной связи С1Rб2 передается на базу
транзистора VТ2 и вызывает уменьшение тока в нем, что в свою очередь
приводит к росту по абсолютной величине напряжения Uк2 на величину
Uк2. А этот перепад напряжений через цепочку С2Rб1 передается на базу
транзистора VТ1 и вызывает дальнейшее увеличение тока в нем. За счет
усилительных свойств каскадов такие скачки напряжений лавинообразно
нарастают, и транзистор VТ1 в течение очень короткого периода времени
оказывается открытым, а VТ2 – закрытым. Обычно параметры схемы выбирают так, что открывшийся транзистор находится в режиме насыщения.
При этом положительная обратная связь обрывается и лавинообразный
процесс прекращается. Потенциалы всех электродов открытого транзистора
приблизительно одинаковы и близки к нулю, поэтому в данном случае принято говорить о том, что «транзистор стягивается в точку».
Медленные процессы в схеме мультивибратора удобно рассматривать с
помощью временных диаграмм, представленных на рис. 13.2, и цепей зарядки и перезарядки емкостей – на рис. 13.3.
110
Рассмотрим процессы, протекающие в симметричном мультивибраторе,
начиная с некоторого момента времени t = t0 (рис. 13.2). Пусть в этот момент очередной лавинообразный процесс закончился, и транзистор VТ1 закрывается, а VТ2 открывается. Потенциал коллектора VТ1 относительно
эмиттера быстро нарастает по абсолютной величине и Uк VТ1  E, а потенциал коллектора Uк VТ2  0. С момента t > t0 конденсатор С1 заряжается по
цепи (рис. 13.3, а): +Еп  эмиттер-база открытого транзистора VT2  C1 
 Rк1  –Eп. Длительность этого процесса определяется постоянной времени 3 = С1Rк1, которая определяет задний фронт коллекторного импульса
(рис. 13.2, участок аb). На участке cd идет перезарядка С2 по цепи +Еп 
 эмиттер-коллектор открытого транзистора VT2  C2 Rб1 –Eп
(рис. 13.3, б).
t0
Uк1
(-)
ф
ab
Uб1
(+)
ф
t
а
–Eп
Rк1
C1Rк1
–
VT2
ф
t2
t1
t
б
Rб1
t
–Eп
С2
+
C2Rк2
Uб2
Б
Э
+Eп
C2Rб1
cd
Uк2
С1
VT2
К
Э
+Eп
UС2
+Еп
Т
C1Rб2
в
t
Рис. 13.2
t
–Еп
Рис. 13.3
Если бы цепь, изображенная на рис. 13.3, б, в схеме «была изолирована», то перезарядка С2 произошла бы полностью, и знак заряда на его обкладках стал бы обратным начальному (рис. 13.3, в). Но в схеме мультивибратора UС2 определяет потенциал базы Uб1, и на отрезке времени от t0 до
(t0 + T / 2) напряжение UС2 удерживает VT1 в закрытом состоянии. К моменту t = (t0 + T / 2) напряжение UС2 становится близким к нулю, и транзистор
111
VT1 открывается. В схеме вновь возникает лавинообразный процесс, описанный выше, после окончания которого в плече схемы на VT2 возникнут
процессы, аналогичные протекавшим на отрезке (t0 + T / 2) в плече схемы на
VT1.
В общем случае полный цикл автоколебательного процесса в мультивибраторе состоит из двух полупериодов колебаний t1 и t2. В симметричном
мультивибраторе длительности полупериодов t1 и t2 одинаковы, а весь период колебаний Т можно определить по формуле
Т  CRб ln 2  1,4CRб .
(13.1)
Расчет симметричного мультивибратора
При расчете мультивибратора обычно считаются заданными амплитуда
выходных импульсов Um, период колебаний Т или длительность полупериодов t1 и t2 для несимметричного мультивибратора, длительность положительного  ф  и отрицательного  ф  фронтов импульсов коллекторного
напряжения. В этом случае можно рекомендовать следующий порядок расчета схемы.
1. Определяем напряжение источника питания в зависимости от необходимой амплитуды Um выходных импульсов
Eп  1,1  1,2  U m ,
(13.2)
*
*
т. к. U m  Eп  I к0
макс Rк . Здесь I к0 макс – обратный ток коллекторного пере-
хода при максимальной температуре.
2. Выбираем тип транзистора, согласно следующим условиям:
а) для обеспечения надежности работы схемы допустимое напряжение
коллектор–база должно быть U кб доп  2E п ;
б) частотные свойства транзистора должны обеспечивать получение заданной длительности положительного фронта импульса  ф  (рис. 13.2)
ф  
0,3  0,5
,
2 f гр
(13.3)
а также максимальной частоты следования fмакс генерируемых импульсов
fмакс  fгр,
112
(13.4)
где fгр – граничная частота усиления транзистора.
3. Рассчитываем величину сопротивления Rк, учитывая, что:
а) минимальная величина Rк ограничена неравенством
(13.5)
Rк мин  Eп / Iк доп;
б) для обеспечения амплитуды выходного импульса необходимо, чтобы
*
Rк  Um / I к0
макс ;
(13.6)
в) для исключения влияния нагрузки Rн на работу схемы должно быть
выполнено условие
Rк  (0,1  0,2)Rн.
(13.7)
Если Rн мало, то для согласования выхода мультивибратора с нагрузкой
следует использовать эмиттерный повторитель. В зависимости от мощности
транзистора величину сопротивления Rк выбирают в диапазоне от 300 Ом
до 3 кОм.
4. Величину сопротивлений Rб выбираем из соотношения
Rб  10Rк.
(13.8)
5. Для симметричного мультивибратора времязадающая емкость С рассчитывается по формуле
С
Т
.
1,4 Rб
(13.9)
При этом минимальная величина емкости С должна удовлетворять неравенству
С  Смин 
1
2f гр Rк
.
(13.10)
6. Длительность положительного фронта импульса коллекторного
напряжения определяем по формуле (13.3).
7. Рассчитываем длительность отрицательного фронта импульса, которая определяется постоянной времени заряда емкости
ф( )  2,3CRк .
(13.11)
113
Расчетное задание
1. Рассчитать по формулам (13.1)–(13.11) симметричный мультивибратор с коллекторно-базовыми связями, если длительность положительного
фронта импульса  ф   1 мкс. Данные для величин Um, T и Rн взять согласно
варианту в табл. 13.1. Справочные данные транзисторов приведены в
прил. 5.
Таблица 13.1
Вариант
U m, B
T, мкс
Rн, кОм
1
6
100
4,7
2
7
125
5,1
3
8
150
5,6
4
9
175
6,2
5
10
200
6,8
6
6
225
7,5
7
7
250
5,6
8
8
300
9,1
9
9
325
10
2. Нарисовать схему симметричного мультивибратора с коллекторнобазовыми связями и указать на ней все номинальные значения элементов.
Лабораторное задание и методические указания
1. Собрать на монтажном стенде схему симметричного мультивибратора, согласно выполненному расчету, и проверить ее работоспособность.
2. Зарисовать осциллограммы коллекторных и базовых импульсов обоих транзисторов мультивибратора. При снятии осциллограмм напряжений
следует пользоваться внешней синхронизацией и открытым входом осциллографа, предварительно определив на экране осциллографа положение оси
времени (нулевого уровня).
3. Определить амплитуду коллекторных импульсов Um, длительность
периода Т и полупериода колебаний tи, длительность положительного  ф  и
отрицательного фронта  ф  коллекторных импульсов мультивибратора.
Полученные величины указать на соответствующих осциллограммах.
При определении  ф  и  ф  развертка осциллографа должна быть такой, чтобы большую часть его экрана занимали исследуемые участки импульса.
4. Исследовать зависимость длительности полупериодов колебаний t1, t2
и частоты их следования f от величины сопротивления Rб для несиммет114
ричного мультивибратора. Несимметричный мультивибратор можно получить, подключив вместо сопротивления одного из плеч Rб резисторы других номиналов, в качестве которых могут быть выбраны следующие: Rб / 3,
Rб / 2, 2Rб, 3Rб, где Rб – рассчитанное ранее номинальное значение. Данные
измерений занести в табл. 13.2.
Таблица 13.2
Rб, кОм
t1, мкс
t2, мкс
f, кГц
Контрольные вопросы
1. Как выполняются условия баланса фаз и баланса амплитуд в мультивибраторе?
2. Какие процессы называются быстрыми, как они протекают в мультивибраторе?
Чем определяется их длительность?
3. Какие процессы называются медленными, как они протекают в мультивибраторе?
Чем определяется их длительность?
4. Какие параметры схемы определяют форму генерируемых колебаний? Как получить импульсы максимально прямоугольной формы?
5. Чем определяется длительность положительного и отрицательного фронтов коллекторного импульса?
115
Лабораторная работа № 14
ЖДУЩИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР С ЭМИТТЕРНОЙ СВЯЗЬЮ
Цель работы. Изучение основных принципов работы ждущего мультивибратора с эмиттерной связью и экспериментальное определение его параметров и характеристик.
Схема ждущего мультивибратора с эмиттерной связью и временные
диаграммы изменения напряжения в схеме показаны соответственно на
рис. 14.1. и 14.2.
–Еп
Rк1
С2
R1
Rб
Rк2

С1
VT1
VT2
Uвых
Uвх
R2
Rэ
+Еп
Рис.14.1
В исходном состоянии транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт и находится
в насыщении. Данное состояние транзисторов обеспечивается выбором
элементов схемы R1 , R2 и Rб . Транзистор VT1 заперт, так как напряжение на
резисторе Rэ больше, чем напряжение, подаваемое на его базу с делителя
R1  R2 . Конденсатор С 2 заряжен до напряжения U C  U К1  U Э1 .
При отпирании транзистора VT1 входным импульсом отрицательной
полярности положительный перепад напряжения с его коллектора передается на базу транзистора VT2. В результате этого транзистор VT2 подзапирается и его ток эмиттера уменьшается, что в свою очередь приводит к тому, что напряжение между базой и эмиттером VT1 становится более отрицательным и он еще больше отпирается. Данный процесс приводит к полному запиранию транзистора VT2 и переходом транзистора VT1 в состояние
насыщения.
116
t
Uвх
t
UБЭ1
t
Еп
Um1
UК1
UБЭ2
t
t
Um1
UК2 = Uвых
Рис.14.2.
С отпиранием VT1 начинается перезарядка конденсатора С 2 по цепи:
 Еп  Rэ  эмиттер, коллектор открытого транзистора VT1  С2  Rб 
  Еп . В соответствии с полярностью напряжения конденсатор С 2 удерживает транзистор VT2 в запертом состоянии до тех пор, пока напряжение
на нем не окажется близким к нулю и VT2 откроется. Возникает регенеративный процесс обратного опрокидывания, завершающийся запиранием
транзистора VT1 и насыщением VT2. Далее идет восстановление исходного
устойчивого состояния: зарядка конденсатора С 2 и установление первоначальных значений напряжения на электродах транзисторов.
Длительность выходного импульса, снимаемого с коллектора транзистора VT2, зависит от постоянной времени перезарядки конденсатора С 2 , которая равна
р  С2 Rб .
(14.1)
117
Возврат схемы в исходное (устойчивое) состояние определяется цепью
зарядки конденсатора С2 :  Еп  Rэ  эмиттер, база транзистора VT2 
 С2  Rк1   Еп . Постоянная времени данного процесса находится по формуле
з  С2  Rк1  Rэ  .
(14.2)
Для нормальной работы ждущего мультивибратора необходимо, чтобы
период следования запускающих импульсов был больше длительности генерируемого импульса на время восстановления, которое равно 3 з . Из сказанного выше можем записать неравенство
Т  tи  3з .
(14.3)
Расчет ждущего мультивибратора с эмиттерной связью
Исходными данными при расчете элементов схемы ждущего мультивибратора являются частота следования запускающих импульсов f з , амплитуда U m и длительность tи выходного импульса.
Расчет каскада производим в следующем порядке:
1. Задаем величину напряжения источника питания
Еп  (1,1  1, 2)U m .
(14.4)
2. Рассчитываем сопротивление резистора Rк 2
Rк 2 
Um
,
I кн
(14.5)
где I кн – ток насыщения транзистора VT2.
3. Сопротивление резистора Rк1 находится из выражения
Rк1   2  6  Rк 2 ,
(14.6)
выполнение которого необходимо для поддержания исходного состояния
ждущего мультивибратора (транзистор VT1 заперт, а VT2 – открыт).
4. Рассчитываем сопротивление резистора Rэ
Rэ 
118
Еп
 Rк 2 .
I кн
(14.7)
5. Определяем сопротивление резистора Rб
Rб 
h21 Rк 2
,
S
(14.8)
где h21 – среднее значение коэффициента усиления по току транзистора VT2,
а S – коэффициент насыщения, который берем равным двум.
6. Рассчитываем сопротивления делителя (резисторы R1 и R2 ) в цепи базы транзистора VT1. Сопротивление резистора R2 обычно задается в пределах R2   5  10  кОм, тогда R1 находится по формуле
R1 
Eп  U БЭ1
R2 ,
U БЭ1
(14.9)
где величина напряжения U БЭ1   0,75  1 В.
7. Емкость конденсатора С 2 находим, используя выражение (14.1)
С2 
tи
.
2 Rк1 Rк 2  Rэ  Rк1  Rк 2 
2,3Rб lg
Rк 2  Rэ  Rк1 
(14.10)
8. Рассчитываем время восстановления исходного состояния схемы
tВ  3С2  Rк1  Rэ  .
(14.11)
Расчетное задание
1. Рассчитать по формулам (14.4)–(14.11) ждущий мультивибратор с
эмиттерной связью на биполярном транзисторе МП-26, согласно варианту,
заданному в таблице. Величину тока насыщения I кн взять в пределах
20 ÷ 40 мА.
Вариант
f з , кГц
1
0,8
2
1
3
1,3
4
1,5
5
2
6
2,5
Um , В
tи , мкс
5
6
7
8
5
8
Таблица 14.1
7
8
9
3
4
2
7
6
5
119
2. Рассчитать элементы дифференцирующей цепи СД и RД , задавшись
постоянной времени τ  СД RД  0,1
1
.
4f з
Лабораторное задание и методические указания
1. Собрать на лабораторном стенде ждущий мультивибратор по схеме
рис. 14.3 согласно выполненному расчету.
–Еп
R1
СД
VД
А
С1
Rк1
VT1
Uвх
С2
Rб
Rк2
+
Uвых
VT 2
RД
R3
R2
Rэ
+Еп
Рис.14.3
Номинальное значение емкости конденсатора С1  5,0 мкФ. Номинальное
значение резистора R3 взять в пределах 300 Ом ÷ 1,5 кОм.
2. Подать на вход исследуемой схемы с генератора импульсы прямоугольной формы с частотой согласно индивидуального задания и амплитудой U вх  5 В. Снять, зарисовать и оцифровать осциллограммы изменения
напряжений U вх , U Б1 , U К1 , U Б2 , U К2  U вых , а также в контрольной точке А.
Все полученные осциллограммы для наглядности разместить одна под другой.
3. Уменьшать входное напряжение, подаваемое с генератора, до тех пор,
пока не произойдет срыв в работе ждущего мультивибратора. Измерить величину данного напряжения U вх мин  .
4. При значении входного напряжения, заданного в п. 2, увеличивать частоту следования импульсов, подаваемых с генератора, до возникновения
120
срыва в работе ждущего мультивибратора. Зафиксировать значение данной
частоты f вх макс .
5. Измерить длительности переднего и заднего фронтов выходных импульсов ждущего мультивибратора.
Контрольные вопросы
1. Какими элементами обеспечивается исходное состояние схемы, когда транзистор
VT1 закрыт, а транзистор VT2 находится в насыщении?
2. Чем определяется длительность выходного импульса?
3. Чем определяется период запускающих импульсов?
121