Мультивибратор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Рис. 1. Принципиальная схема «классического» простейшего транзисторного мультивибратора на транзисторах одного типа проводимости.

Мультивибра́тор — релаксационный генератор электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Название мультивибратор предложил голландский физик ван дер Поль, и отражает тот факт, что в спектре прямоугольных колебаний мультивибратора присутствует множество высших гармоник — в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»). Впервые мультивибратор был описан Икклзом и Джорданом в 1918 году.

Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, используемый в электронике и радиотехнике. Обычно представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель, охваченный глубокой положительной обратной связью.

В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых активных компонентов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и другие), различающиеся режимом работы (автоколебательный, ждущие, с внешней синхронизацией синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и другими параметрами.

Приведенная в качестве примера на рисунке «классическая» схема мультивибратора на двух транзисторах одного типа проводимости сейчас почти не применяется, так как имеет плохие частотные свойства и недостаточно крутые фронты, что ограничивает частоту его генерации единицами МГц. При уменьшении номиналов компонентов (сопротивлений резисторов и ёмкости конденсаторов) для повышения частоты генерации оба транзистора переходят в открытое или насыщенное состояние без генерации, или генерация самопроизвольно срывается, и для восстановления генерации устройство надо перезапускать, что во многих применениях неприемлемо.

Некоторые типы и классификация мультивибраторов[править | править вики-текст]

Рис. 2. Электрическая принципиальная схема моностабильного транзисторного мультивибратора (одновибратора).
Рис. 3. Электрическая принципиальная схема бистабильного мультивибратора (триггера).
Рис. 4. Электрическая принципиальная схема мультивибратора, выполненного на операционном усилителе.

Существуют три типа мультивибраторов в зависимости от режима работы:

  • нестабильный, автоколебательный или астабильный: устройство непрерывно генерирует колебания и самопроизвольно переходит из одного состояния в другое. При этом не обязателен внешний сигнал синхронизации, если не требуется захват частоты колебаний;
  • моностабильный: одно из состояний является стабильным, но другое состояние неустойчиво (переходное). Мультивибратор на некоторое время, определяемое параметрами его компонентов, переходит в неустойчивое состояние под действием запускающего импульса. Затем возвращается в устойчивое состояния до прихода очередного запускающего импульса. Такие мультивибраторы используются для формирования импульса с фиксированной длительностью, не зависящей от длительности запускающего импульса. Такой тип мультивибраторов иногда, в литературе, называют одновибраторы или ждущие мультивибраторы.
  • бистабильный: мультивибратор устойчив в любом из двух состояний и может быть переключён из одного состояния в другое подачей внешних импульсов. Такие устройства называют бистабильными триггерами, и такие триггеры иногда, не совсем корректно, называют «мультивибраторы», так как двусмысленно.

Отнесение мультивибратора к классу автогенераторов оправдано лишь при автоколебательном режиме его работы. В ждущем режиме мультивибратор вырабатывает импульсы только тогда, когда на его вход поступают синхронизирующие сигналы.

Режим синхронизации отличается от автоколебательного тем, что в этом режиме с помощью внешнего управляющего (синхронизирующего) колебания удаётся подстроить частоту колебаний автоколебательного мультивибратора под частоту синхронизирующего сигнала или сделать кратной ей (режим «захвата частоты») для автоколебательных мультивибраторов.

Мультивибратор Шмитта[править | править вики-текст]

Иногда мультивибраторами называют триггеры Шмитта — электронные схемы не являющиеся по сути мультивибраторами, а компараторами с гистерезисом.

Симметричный мультивибратор[править | править вики-текст]

Рис. 5. Схема транзисторного мультивибратора с коллекторно-базовыми ёмкостными связями.

Симметричным мультивибратор называют при попарном равенстве сопротивлений резисторов R1 и R4, R2 и R3, ёмкостей конденсаторов C1 и C2, а также параметров транзисторов Q1 и Q2.

Симметричный мультивибратор генерирует прямоугольные колебания («меандр») со скважностью 2, то есть прямоугольный сигнал у которого длительность импульса и длительность паузы одинаковы.

Симметричный мультивибратор по «классической» схеме (см. рисунок 5) широко используется для учебных и демонстрационных целей в качестве простейшего по устройству генератора электрических колебаний. Принцип работы этой схемы легко понять, а также эта схема удобна тем, что не требует для своей реализации громоздких и неудобных катушек индуктивности и трансформаторов.

Ждущие мультивибраторы[править | править вики-текст]

Моностабильный мультивибратор[править | править вики-текст]

Разновидность ждущего мультивибратора, имеющего одно стабильное состояние и одно неустойчивое. При поступлении запускающего импульса одностабильный мультивибратор (одновибратор) переключается в неустойчивое состояние на время , причём это время не зависит от длительности запускающего импульса (для схемы на рисунке 2), а затем возвращается в устойчивое состояние.

Одновибраторы применяются для преобразования формы импульсов в расширителях импульсов[1][2].

Бистабильный мультивибратор[править | править вики-текст]

Бистабильный мультивибратор — разновидность ждущего мультивибратора, который имеет два стабильных (устойчивых) состояния, характеризующихся разными уровнями напряжения на выходе. Как правило, эти устройства переключаются из состояние в состояние сигналами, поданными на разные входы, как показано на рисунке. В этом случае бистабильный мультивибратор представляет собой триггер RS-типа. В некоторых схемах для переключения используется один вход, на который для переключения подаются импульсы различной либо одной полярности, при переключении состояний импульсами одной полярности на одном входе такие устройства называют «триггерами со счётным входом».

Бистабильный мультивибратор, кроме выполнения функции триггера, применяется также для построения генераторов, синхронизированных внешним сигналом. Такой тип бистабильных мультивибраторов характеризуется минимальным временем пребывания в каждом из состояний или минимальным периодом колебаний. Изменение состояния мультивибратора возможно только по прошествии определенного времени с момента последнего переключения (так называемое «мёртвое время переключения») и происходит в момент поступления фронта синхронизирующего сигнала.

Мультивибратор на операционном усилителе[править | править вики-текст]

Принципиально можно построить автоколебательный мультивибратор на инвертирующем компараторе с гистерезисом, охваченном отрицательной обратной связью. Пример такой структуры с использованием операционного усилителя (ОУ) приведён на рис. 4.


Делитель напряжения из пары резисторов R4, включенных в цепь обратной положительной связи переводят ОУ в режим компаратора с гистерезисом по инвертирующему входу, к которому подключена интегрирующая цепочка R2, C1. При переключении компаратора из состояние в состояние происходит изменение тока в интегрирующей цепочке и конденсатор начинает перезаряжаться в другую сторону до достижения другого порога компарации, и переключения полярности напряжения на выходе ОУ. В этой схеме ОУ выполняет сразу несколько функций: источника напряжений разряда и заряда конденсатора, компаратора и выходного ключа.

Принцип действия «классического» двухтранзисторного мультивибратора[править | править вики-текст]

Схема может находиться в одном из двух нестабильных состояний и периодически переходит из одного в другое и обратно. Фаза перехода очень короткая относительно длительности нахождения в состояниях благодаря глубокой положительной обратной связи, охватывающей два каскада усиления.

Пусть в состоянии 1 Q1 закрыт, Q2 открыт и насыщен, при этом C1 быстро заряжается током открытого базового перехода Q2 через R1 и Q2 почти до напряжения питания, после чего при полностью заряженном C1 через R1 ток прекращается, напряжение на C1 равно (ток базы Q2)·R2, а на коллекторе Q1 — напряжению питания.

При этом напряжение на коллекторе Q2 невелико (равно падению напряжения на насыщенном транзисторе).

C2, заряженный ранее в предыдущем состоянии 2 (полярность по схеме), медленно разряжается через открытый Q2 и R3. При этом напряжение на базе Q1 отрицательно и этим напряжением он удерживается в закрытом состоянии. Запертое состояние Q1 сохраняется до того, пока C2 не перезарядится через R3 и напряжение на базе Q1 не достигнет порога его отпирания (около +0,6 В). При этом Q1 начинает приоткрываться, напряжение его коллектора снижается, что вызывает начало запирания Q2, напряжение коллектора Q2 начинает увеличиваться, что через конденсатор C2 еще больше открывает Q1. В результате в схеме развивается лавинообразный регенеративный процесс, приводящий к тому, что Q1 переходит в открытое насыщенное состояние, а Q2 наоборот полностью запирается.

Далее колебательные процессы в схеме периодически повторяются.

Длительности нахождения транзисторов в закрытом состоянии определяются постоянными времени для Q2 - T2 = С1·R2, для Q1 — T1 = C2·R3.

Номиналы R1 и R4 выбираются намного меньшие, чем R3 и R2, чтобы зарядка конденсаторов через R1 и R4 была быстрее, чем разрядка через R3 и R2. Чем больше будет время зарядки конденсаторов, тем положе окажутся фронты импульсов. Но отношения R3/R1 и R2/R4 не должны быть больше, чем коэффициенты усиления соответствующих транзисторов, иначе транзисторы не будут открываться полностью.

Частота мультивибратора[править | править вики-текст]

Длительность одной из двух частей периода равна

Длительность периода из двух частей равна:

,

где

В особом случае, когда

  • t1 = t2 (50 % цикл),
  • R2 = R3,
  • C1 = C2,


См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. http://library.espec.ws/books/constructor/Part1/1-3.htm Расширители импульсов
  2. http://cxem.net/beginner/beginner27.php Расширители импульсов

Ссылки[править | править вики-текст]