6. Генератори негармонічних сигналів

Розрізняють синусоїдальні (гармонійні) і релаксаційні (розривні) коливання. У попередніх підтемах були розглянуті якраз генератори гармонійних коливань, де використовуються коливальні контури і різні фазообертаючі ланки. Для отримання релаксаційних коливань, які можуть бути майже прямокутної форми, використовується дещо інший принцип. Коливання виникають внаслідок "звільнення" запасу енергії клапаном (ключем), що віддає енергію імпульсами. Зазвичай в якості клапанів або ключів застосовують транзистори, що працюють в ключовому режимі, або прилади з негативним опором. Коли ключ закритий, відбувається накопичення енергії, коли відкритий - віддача енергії. При цьому частота коливань визначається параметрами схеми, режимом роботи транзистора і напругою джерела живлення. Коливання подібних генераторів легко і просто синхронізуються зовнішніми імпульсами різної форми.

Основна відмінність генераторів полягає в тому, що в генераторах синусоїдальних коливань за період витрачається мала потужність, а в релаксаційному генераторі - уся потужність, запасена в реактивному елементі. Цим і пояснюється різниця у формі коливань. Знайомство з релаксаторами розпочнемо з мультивібраторів.

6.1 Мультивібратори, загальні характеристики

Мультивібратор є релаксаційним генератором коливань майже прямокутної форми. Він є двохкаскадним підсилювачем на резисторах з позитивним зворотним зв'язком, в якому вихід кожного каскаду сполучений з входом іншого. Сама назва "мультивібратор" походить від двох слів: "мульти" - багато і "вібратор" - джерело коливань, оскільки коливання мультивібратора містять велике число гармонік. Мультивібратор може працювати в автоколивальному режимі, режимі синхронізації і чекаючому режимі. У автоколивальному режимі мультивібратор працює як генератор з самозбудженням, в режимі синхронізації на мультивібратор діє ззовні синхронізуюча напруга, частота якої визначає частоту імпульсів, ну а в чекаю чому режимі, мультивібратор працює як генератор із зовнішнім збудженням.

6.2 Мультивібратор в автоколивальному режимі

На рисунку 13 показана найбільш поширена схема мультивібратора на транзисторах з ємнісними колекторно-базовими зв'язками, на рисунку 14  - графіки, що пояснюють принцип його роботи. Мультивібратор складається з двох підсилювальних каскадів на резисторах. Вихід кожного каскаду сполучений з входом іншого каскаду через конденсатори С1 і С2.

 

 

 

Рисунок 13 - Мультивібратор на транзисторах з ємнісними колекторно-базовими зв’язками

 

Мультивібратор, у якого транзистори ідентичні, а параметри симетричних елементів однакові, називається симетричним. Обидві частини періоду його коливань рівні і шпаруватість дорівнює 2.

Шпаруватість - це відношення періоду повторення до тривалості імпульсу Q=Tі/tі. Величина, зворотна шпаруватості називається коефіцієнтом заповнення.

Тож, якщо є відмінності в параметрах, то мультивібратор буде несиметричним.

Мультивібратор в автоколивальному режимі має два стани квазірівноваги, коли один з транзисторів знаходиться в режимі насичення, інший - в режимі відсічення і навпаки. Ці стани не стійкі. Перехід схеми з одного стану в інший відбувається лавиноподібно із-за глибокого ПЗЗ.

 

 

Рисунок 14 - Графіки, що пояснюють роботу симетричного мультивібратора

 

Припустимо, при включенні живлення транзистор VT1 відкритий і насичений струмом, що проходить через резистор R3. Напруга на його колекторі мінімальна. Конденсатор С1 розряджається. Транзистор VT2 закритий і конденсатор С2 заряджається. Напруга на конденсаторі С1 прямує до нуля, а потенціал на базі транзистора VT2 поступово стає позитивним і VT2 починає відкриватися. Напруга на його колекторі зменшується і конденсатор С2 починає розряджатися, транзистор VT1 закривається. Далі процес повторюється до безкінечності.

Параметри схеми мають бути наступними: R1=R4, R2=R3, C1=C2. Тривалість імпульсів визначається за формулою:

 

 

Період імпульсів визначається:

 

 

Ну а щоб визначити частоту, потрібно одиницю розділити на період імпульсів. Вихідні імпульси знімаються з колектора одного з транзисторів, причому з якого саме - не важливо. Іншими словами, в схемі два виходи. Поліпшення форми вихідних імпульсів мультивібратора, що знімаються з колектора транзистора, може бути досягнуте включенням розділових (що відключають) діодів в ланцюги колекторів, як показано на рисунку 15. Через ці діоди паралельно колекторним навантаженням підключені додаткові резистори Rд1 і Rд2.

 

 

Рисунок 15  - Мультивібратор з покращеною формою вихідних імпульсів

 

У цій схемі після закривання одного з транзисторів і зниження потенціалу колектора підключений до його колектора діод також закривається, відключаючи конденсатор від колекторного ланцюга. Заряд конденсатора відбувається через додатковий резистор Rд, а не через резистор в колекторній ланці, і потенціал колектора замкнений на транзистор майже стрибком стає рівним Eк. Максимальна тривалість фронтів імпульсів в колекторних ланцюгах визначається в основному частотними властивостями транзисторів.

Така схема дозволяє отримати імпульси майже прямокутної форми, але її недоліки полягають в більш низькій максимальній скважності і неможливістю плавного регулювання періоду коливань.

На рисунку 16 наведена схема швидкодіючого мультивибратора, що забезпечує високу частоту автоколивань.

 

 

Рисунок 16 - Швидкодіючий мультивібратор

 

У цій схемі резистори R2, R4 підключені паралельно конденсаторів С1 і С2, а резистори R1, R3, R4, R6 утворюють подільники напруги, що стабілізують потенціал бази відкритого транзистора (при струмі дільника, більшому ніж струм бази). При перемиканні мультивібратора струм бази насиченого транзистора змінюється більш різко, ніж у раніше розглянутих схемах, що скорочує час розсмоктування зарядів в базі і прискорює вихід транзистора з насичення.

6.3 Чекаючий мультивібратор

Мультивібратор, що працює в автоколивальному режимі і не має стану стійкої рівноваги, можна перетворити в мультивібратор, що має один стійкий стан і одне нестійке становище. Такі схеми називаються чекаючими мультивібраторами або Одновібратор, одноімпульсним мультивібратором, релаксаційним реле або кіпп-реле. Перехід схеми зі стійкого стану в нестійкий відбувається шляхом впливу зовнішнього імпульсу, що запускає цуй процес. У нестійкому положенні схема знаходиться протягом деякого часу в залежності від її параметрів, а потім автоматично, стрибком займає свій попередній стійкий стан.

Для отримання режиму очікування в мультивібраторі, схема якого була показана на рисунку 13, треба викинути пару деталей і замінити їх, як показано на рисунку 17.

 

Рисунок 17 - Чекаючий мультивібратор

 

У вихідному стійкому стані транзистор VT1 закритий. Коли на вхід схеми приходить позитивний запускаючий імпульс достатньої амплітуди, через транзистор починає проходити колекторний струм. Зміна напруги на колекторі транзистора VT1 передається через конденсатор С2 на базу транзистора VT2. Завдяки ПЗЗ (через резистор R4) наростає лавиноподібний процес, що приводить до закривання транзистора VT2 і відкриванню транзистора VT1. У цьому стані нестійкої рівноваги схема знаходиться до тих пір, поки конденсатор С2 не розрядиться через резистор R2 і провідний транзистор VT1. Після розряду конденсатора транзистор VT2 відкривається, а VT1 закривається, і схема повертається в початковий стан.