Анализ схемы мультивибратора

В мультивибраторе происходит периодическое замыкание и размыкание двух транзисторных ключей без внешних воздействий, при этом замыкание каждого ключа автоматически приводит к размыканию другого. В результате этого процесса на выходе каждого ключа (на коллекторе каждого транзистора) формируется положительный импульс напряжения с амплитудой, близкой к напряжению источника питания.

Работу схем, содержащих ключи, принято рассматривать во времени по частям, для чего реальное время разбивается на интервалы, в каждом из которых ключи замкнуты или разомкнуты.

+Eк iК2 RК2 RБ1 iК1 RК1 RБ2 C2 VT1 VT2 C1 iБ2 iБ1

Рис.4. Схема мультивибратора на транзисторах

Сначала покажем, что в схеме, приведенной на рис.4, возникают автоколебания, а затем определим форму генерируемого напряжения.

Запишем второй закон Кирхгофа для коллекторных цепей транзисторов

(6)

где – токи заряда конденсаторов , соответственно.

Напряжения на базах транзисторов выразим из (5).

(7)

Выражения (6) и (7) описывают работу мультивибратора.

Предположим, что в начальный момент времени t = t₁ оба транзистора открыты и находятся в активном режиме, а конденсаторы заряжены до постоянных напряжений, определяемых соотношениями (5). Это состояние схемы неустойчиво, так как малейшее изменение тока в любой цепи приведет к его нарушению.

Действительно, пусть в момент t = t₁ за счет флуктуации увеличился ток коллектора первого транзистора . Это приведет к возрастанию напряжения на резисторе и уменьшению (см.(6)). Снижение согласно (7) вызовет уменьшение , так как напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно. Уменьшение вызовет уменьшение коллекторного тока второго транзистора , как это происходит при работе транзистора в активном режиме.

В свою очередь, уменьшение приведет к увеличению (см.(6)). Так как напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно, произойдёт возрастание напряжения (см. (7)), что вызовет дальнейший рост , как следует из работы транзистора в активном режиме.

Таким образом, первоначальное увеличение , возникшее из-за флуктуации тока в цепи, приводит к еще большему увеличению этого тока. Это значит, что в схеме есть положительная обратная связь,необходимаядляперевода усилителя в режим генерации.

Рассмотренный рост коллекторного тока происходит лавинообразно, так как коэффициент усиления схемы двухкаскадного усилителя много больше единицы. Поэтому транзистор практически мгновенно входит в режимнасыщения(ключ на замыкается), значит, быстро падает почти до нуля.

Падение должно вызвать разряд (см.(5)), но так как напряжение на конденсаторе мгновенно измениться не может, напряжение базе при этом становится отрицательным и примерно равным напряжению на конденсаторе (см.(7)). Поэтому второй транзистор входит в режим отсечки(ключ на размыкается)и напряжение на его коллекторе увеличивается до . Это вызовет заряд конденсатора (см.(5)), но напряжение на не меняется мгновенно.

Рис.5. Временные зависимости напряжений на коллекторах и базах обоих транзисторов

Итак, в результате заданной флуктуации при t = t₁ схема практически скачком переходит в первое стационарное состояние : транзистор открыт и насыщен ( ≈ 0), транзистор – заперт ( ), конденсатор начинает разряжаться, начинает заряжаться.

На рис.5 приведены временные зависимости напряжений на коллекторах и базах обоих транзисторов. Рассмотренный переход схемы в первое стационарное состояние показан на рис.5 скачком в момент времени t = t₁. По сути это процесс возбуждения автогенератора.

Покажем, что это первое состояние схемы является временно устойчивым. При t > t₁ ,после лавинообразного процесса, в течение которого напряжения на конденсаторах можно было считать неизменными, необходимо учесть заряд и разряд , в результате чего напряжения на конденсаторах будут меняться со временем по экспоненциальному закону.

Как видно из рис.4, заряжается по цепи: , где – сопротивление открытого эмиттерного перехода первого транзистора. Постоянная времени заряда равна .

Конденсатор разряжается по цепи: где – внутреннее сопротивление источника питания, которое в схеме не показано. Так как сопротивление насыщенного транзистора и r – малые величины, то постоянная времени разряда равна примерно

Заряд и разряд конденсаторов в мультивибраторе определяют параметры генерируемых импульсов. Действительно, ток заряда , протекая по , препятствует скачкообразному увеличению до после запирания при t = t₁. Только после окончания заряда , когда уменьшится практически до нуля, достигнет установившегося значения, близкого к (см.(6)). Таким образом, время заряда определяет время нарастания положительного импульса на коллекторе , то есть длительность фронта импульса τ_ф.

Время разряда конденсатора определяет длительность импульса на коллекторе . Действительно, по мере разряда напряжение на базе согласно (7) увеличивается от ≈ – по экспоненциальному закону (рис.5). Однако пока остается меньше U_бэпор, находится в режиме отсечки и ≈ . Так формируется плоская вершина импульса на коллекторе .

Из схемы рис.4 видно, что после разряда до нуля стремится перезарядиться до величины + , так как заперт (ключ на разомкнут). Цепь перезаряда конденсатора C₂: насыщенный транзистор → – . При перезаряде конденсатора знак напряжения на нем будет противоположен знаку, указанному на рис.4 и в формулах (7). Очевидно постоянная времени перезаряда равна

В результате перезаряда конденсатора в момент t = t₂, когда напряжение на базе немного превысит U_БЭпор, появится небольшой ток коллектора второго транзистора .

В схеме мультивибратора усилители на транзисторах и связаны между собой одинаковым образом, так как часть напряжения с выхода каждого транзистора поступает на вход другого, что отражено в соотношениях (6) и (7). Поэтому закономерное появление приведет к процессу, рассмотренному выше при увеличении тока за счет флуктуации.

Таким образом, при t = t₂ возникнет второй лавинообразный процесс, в результате которого схема перейдет во второе состояние: окажется в режиме насыщения ( ), VT₁ – в режиме отсечки ( ). Это изображено на рис.5 скачком при t = t₂. В результате на коллекторе формируется почти прямоугольный импульс с длительностью τ₁ = t₂ – t₁

При t > t₂ начинается второй такт работы мультивибратора, идентичный первому, только транзисторы меняются ролями. С момента t₂ начинается разряд конденсатора и заряд конденсатора .

Второе состояние схемы также временно устойчиво: заперт только до тех пор, пока конденсатор не перезарядится до U_БЭпор≈ 0.6В. При t = t₃, когда превысит U_БЭпор, появится ток коллектора первого транзистора и в схеме будет происходить процесс, как при t = t₁. Это показано на рис.5 скачком при t = t₃. В результате на коллекторе формируется почти прямоугольный импульс с длительностью τ₂ = t₃ – t₂ .

Таким образом, схема, изображенная на рис.4, имеет два состояния равновесия. Оба состояния временно устойчивы и система непрерывно переходит из одного состояния в другое практически скачком. В результате этого на коллекторах обоих транзисторов формируется периодическая последовательность положительных импульсов почти прямоугольной формы. Эти импульсы являются выходными импульсами мультивибратора.