Генераторы сигналов прямоугольной формы

Генераторы сигналов прямоугольной формы называют мультивибраторами за исключением некоторых типов магнитно-транзисторных генераторов, имеющих собственные названия.

На рис. 7.8, а показана схема транзисторного мультивибратора. Она содержит два транзисторных однокаскадных усилителя, состоящих из транзистора VT1 (VT2), коллекторного резистора R_к1 (R_к2) и базового резистора R_б1 (R_б2). Связь между усилителями осуществляется при помощи конденсаторов С1 и С2. В схеме существует глубокая положительная обратная связь, которая приводит к самовозбуждению. При этом в схеме возможны два квазиустойчивых состояния: транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт, другое состояние - транзистор VT1 открыт, а транзистор VT2 закрыт. Открытое состояние транзисторов обеспечивается выбором соотношения между резисторами R_к и R_б (R_б £ bR_к, где b - коэффициент усиления транзистора по току).

На рис. 7.8, б приведена временная диаграмма работы мультивибратора. Допустим, что в промежутке времени t₀ – t₁ транзистор VT1 закрыт (U_к1 = E_к), а транзистор VT2 открыт (U_к1 = 0). Транзистор VT1 удерживается в закрытом состоянии напряжением конденсатора С2, который будучи перед этим заряжен до напряжения питания теперь положительной обкладкой подключен к базе VT1, а отрицательной через открытый транзистор VT2 – к эмиттеру VT1. Напряжение на базе VT1 U_б1 в начале интервала равно E_к (см. рис. 7.8, б). Длительность интервала времени, в течение которого VT1 будет в закрытом состоянии зависит от постоянной времени разряда конденсатора С2. Конденсатор С2 разряжается по цепи: +Е_к (общий провод), открытый транзистор VT2, конденсатор С2, резистор R_б1, -Е_к. Постоянная времени цепи разряда равна t_р1 = R_б1С₂. К моменту времени t₁ конденсатор С2 разрядится до нуля и напряжение U_б1 станет равным нулю (см. U_б1 на рис. 7.8, б).

В промежутке времени t₀ – t¢₀ конденсатор С1 зарядился до напряжения Е_к по цепи: +Е_к (общий провод), переход эмиттер-база VT2, конденсатор С1, резистор R_к1, -Е_к. Постоянная времени цепи заряда равна t_з1 = R_к1С₁. Поскольку R_к1 << R_б1, то и t_з1 << t_р1. Однако заряд конденсатора приводит к искажению фронта выходного импульса мультивибратора. На рис.91, б видно, что в промежутке времени t₀ – t¢₀ имеется всплеск импульса тока I_б2, соответствующий заряду конденсатора С1. Этот импульс тока, проходя по резистору R_к1, создает на нем падение напряжения, искажающее передний фронт импульса напряжения U_к1, которое является выходным напряжением U_вых1.

В момент t₁, когда напряжение на базе транзистора VT1 становится равным нулю, транзистор начинает приоткрываться и обкладка конденсатора С1, имеющая отрицательный заряд, будет «притягиваться» через открывающийся транзистор VT1 к общему проводу, т.е. к эмиттеру VT2. Вторая обкладка С1, имеющая положительный заряд, подключена к базе VT2, поэтому транзистор VT2 начинает закрываться. Увеличивающийся потенциал его коллектора через конденсатор С2 поступает на базу транзистора VT1 открывая его еще больше. Процесс развивается лавинообразно. В результате транзистор VT1 открывается, а транзистор VT2 закрывается. К базе транзистора VT2 прикладывается положительное напряжение U_б2 конденсатора С1, удерживающее его в закрытом состоянии, пока происходит его разряд с постоянной времени t_р2 = R_б2С₁ (см. U_к2 и U_б2 на рис. 7.8, б).

Напряжение на коллекторе VT2 (выходное напряжение U_вых2) увеличивается до Е_к за время t₁ - t¢₁, пока происходит заряд конденсатора С2 по цепи: +Е_к (общий провод), переход эмиттер-база VT1, конденсатор С2, резистор R_к2, -Е_к. Постоянная времени, определяющая длительность фронта выходного импульса U_вых2, равна t_з2 = R_к2С₂.

В дальнейшем, в интервале t₂ – t₃ и т.д. процессы повторяются. Частота выходных импульсов мультивибратора определяется длительностями разряда конденсаторов С1 и С2

f = 1/T = 1/(t_к1 + t_к2) » 1/0,7(R_б1С₂ + R_б2С₁).

Недостатком рассмотренного простейшего транзисторного мультивибратора является пологий фронт формируемого импульса. Этот недостаток устраняется введением в схему так называемых отсекающих диодов. На рис. 7.9, а представлена схема мультивибратора с отсекающими диодами. В схеме предусмотрена возможность регулирования частоты и скважности выходных импульсов.

Для заряда конденсаторов в схеме предусмотрены специальные зарядные резисторы R_з1 и R_з2, которые отделены от коллекторных резисторов R_к1 и R_к2 отсекающими диодами VD1 и VD2. Поэтому в момент перехода транзистора в закрытое состояние (фронт выходного импульса) ток заряда конденсатора течет по зарядному резистору, а отсекающий диод заперт.

На временных диаграммах (рис. 7.9, б) видно, что фронты выходных импульсов стали крутыми.

В схеме рис. 7.9, а можно регулировать частоту импульсов. При помощи потенциометра R_р2 можно регулировать величину напряжения, до которого заряжаются конденсаторы. Время разряда конденсаторов, определяющее частоту выходных импульсов, напрямую зависит от величины этого напряжения.

При помощи потенциометра R_р1 можно регулировать скважность (величина, обратная коэффициенту заполнения) импульсов. Перемещение движка потенциометра в одну или другую сторону приводит к увеличению постоянной времени разряда одного конденсатора и уменьшению – другого при неизменной сумме длительностей разряда обоих конденсаторов (период импульса).