Генератори релаксаційних коливань

Генераторами релаксаційних коливань називають такі джерела періодичних імпульсних сигналів, в основі роботи яких лежить періодичне накопичення енергії від джерела постійного струму в ємності або індуктивності та виділення її у вигляді теплоти на резисторах схеми. Перемикання з процесу накопичення на процес виділення енергії здійснюється за допомогою комутувального (ключового) пристрою, що спрацьовує в той момент, коли в накопичувачі досягнуто заданого рівня енергії (напруги).

Керування комутувальним пристроєм здійснюється за допомогою кола позитивного 33. Як накопичувач найчастіше використовують конденсатор, а функцію комутувального пристрою виконує аперіодичний підсилювач, який працює в режимі перемикання.

Можна виділити три фази процесу коливання: накопичення енергії, відкривання перемикача, розряджання накопичувача через активний опір. Час перебігу кожної фази процесу залежить від параметрів елементів схеми.

Час відкривання ключа (час перекидання схеми), як правило, значно менший від часу накопичення енергії та розряджання конденсатора. Він називається часом переходу електронного приладу із закритого стану (режим відсікання струму) у відкритий (режим насичення) або навпаки — з відкритого стану в закритий і впливає на форму та тривалість переднього фронту імпульсів автогенератора.

Час накопичення енергії t_н і час розряджання конденсатора t_p , які залежать від параметрів елементів схеми, визначають часові параметри генератора: тривалість імпульсу τ_п та період проходження (повторення) імпульсів Т.

Релаксаційні генератори, що виробляють імпульси, форма яких близька до П- або пилкоподібної, можуть працювати в одному з чотирьох режимів.

В очікувальному режимі релаксаційний генератор знаходиться в стані стійкої рівноваги, а під дією імпульсу запуску переходить у стан квазістійкої рівноваги. Тривалість перебування в цьому стані визначає тривалість імпульсу τ_п. Період повторення імпульсів T в цьому режимі визначається періодом повторення імпульсів запуску Т_зап (якщо вони періодичні), але він не повинен бути меншим від часу відновлення схеми, тобто часу t_н досягнення заданого рівня напруги на накопичувачі.

Режим поділу імпульсів здійснюється тоді, коли період повторення імпульсів запуску менший від часу відновлення схеми. В цьому разі генератор неможливо запустити кожним імпульсом запуску. Залежно від співвідношення між часом відновлення схеми та періодом повторення імпульсів запуск генератора здійснюється кожним другим, третім, четвертим і наступним імпульсом.

Автоколивальний режим характеризується відсутністю стану стійкої рівноваги. В цьому режимі генератор періодично переходить з одного квазістійкого стану в інший. Період автоколивань і тривалість імпульсів визначаються тільки параметрами схеми.

У режимі синхронізації, як і в автоколивальному, генератор має два квазістійких стани рівноваги; при цьому на нього діє ще й зовнішній синхронізуючий сигнал, період якого трохи менший від періоду власних коливань генератора. У зв'язку з цим запуск генератора відбувається примусово в моменти часу, що передують моментам перекидання схеми в автоколивальному режимі. Застосовують цей режим для стабілізації періоду повторення імпульсів за допомогою еталонного автогенератора.

Найпоширенішими релаксаційними генераторами є мультивібратори, блокінг-генератори та генератори лінійно змінної (пилкоподібної) напруги.

Мультивібратор — це релаксаційний генератор, побудований на основі двокаскадного аперіодичного підсилювача напруги, в якому вихід першого каскаду з'єднано з входом другого, а вихід другого — з входом першого. Завдяки цьому здійснюється 100%-ний позитивний 33, паралельний за напругою.

Рис. 7.9. Принципова схема мультивібратора на транзисторах в очікувальному режимі (а) і часові діаграми (б), що ілюструють його роботу

 

 

Роботу мультивібратора (рис. 7.9, а) в очікувальному режимі ілюструє рис. 7.9, б.

Для забезпечення стану стійкої рівноваги, при якому транзистор VТІ закритий, а транзистор VТ2 відкритий, колектор транзистора VТ2 з'єднано з базою транзистора VТ1 через резистор R_зв.

Для подачі імпульсів запуску в коло колектора транзистора VТ1 увімкнено дифсренціювальнийланцюжок R_диф С_диф з діодом VD, черезякий передасться фронт імпульсу запуску позитивноїполярності. Аналогічний вхід може бути в колі бази транзистора YТ2 (показано штриховою лінією).

У початковому стані транзистор VТ2 відкритий, а транзистор VТІ закритий (на його базі відсутня відпірна напруга), й основні співвідношення між струмами, напругами та опорами мають вигляд:

для транзистора VТ2

(7.16)

для транзистора VТІ

(7.17)

У такому стані очікувальний мультивібратор може перебувати будь-який час до подачі імпульсу запуску. Якщо початковий стійкий стан схемою не забезпечується, то слід через резистор R1 подати на базу транзистора VТІ запірну напругу +E' = 0,5... 1В (показано штриховою лінією).

При подачі позитивного імпульсу запуску через конденсатор С_р на базу транзистора YТ2 останній вийде зі стану насичення, його колекторний струм почне спадати, а напруга на колекторі — зростати. Це підвищення напруги через резистор R_зв та конденсатор С₃₈ кола 33 передаватиметься в коло бази транзистора VТІ і почне виводити його з закритого стану, тобто відкриватиме його. Після цього починається процес регенерації, при якому завдяки глибокому позитивному 33 відбувається перекидання схеми. В цю мить настає робочий квазістійкий стан схеми, який можна характеризувати двома процесами:

1) заряджанням прискорювального конденсатора С_зв від джерела живлення через резистор R_н2 із сталою часу

(7.18)

оскільки R_зв >>R_н2. Рівняння (7.18) визначає тривалість фронту імпульсу і час встановлення напруги на колекторі транзистора YТ2. Тривалість фронту

(7.19)

2) розряджанням конденсатора С_р, що відбувається по колу джерело живлення Е_ж — резистор R1 — колектор відкритого транзистора VТІ. При цьому напруга на конденсаторі С_р змінюється за експонентою від +Е до -Е ця напруги прикладена до ділянки база — емітер транзистора YТ2. Отже, напруга на конденсаторі С_р фактично визначає напругу на емітерному переході закритого транзистора.

Процес розряджання конденсатора С_р є основним процесом квазістійкого стану схеми. Тривалість цього процесу в першому наближенні визначає тривалість згенерованого імпульсу

(7.20)

У ту мить, коли напруга на конденсаторі С_р дорівнюватиме пороговій напрузі U_п відкривання транзистора VТ2, закінчується квазістійкий стан і відбувається друге перекидання схеми. Після цього розряджений практично до нуля конденсатор С_р починає заряджатися по колу джерело живлення Е_ж —емітерний перехід транзистора VТ2 — опір навантаження і R_н1 зі сталою часу

. (7.21)

Процес відновлення напруги на конденсаторі С_р на цьому етапі роботи є основним; тривалість його

(7.22)

називають часом відновлення.

Новий запуск схеми можливий лише після того, коли напруга на конденсаторі С_р буде наближено дорівнювати напрузі джерела живлення. Якщо імпульс запуску надійде раніше, то можливі два випадки: при малій його амплітуді запуск схеми не відбудеться, що відповідає режиму поділу частоти; при великій амплітуді імпульсу запуск відбувається, але тривалість згенерованого імпульсу буде меншою, ніж визначена за формулою (7.20). Таким чином, період імпульсів запуску

. (7.23)

Автоколивальний режим мультивібратора можна дістати з очікувального, якщо виключити зі схеми резистор R_зв і ввімкнути резистор R1 між базою транзистора VТ1 та колом живлення (–Е_ж), а також вимкнути диференціювальний ланцюжок. При цьому обидва транзистори, що входять до складу мультивібратора, перебуватимуть в однакових умовах відносно джерела живлення, а каскади мультивібратора — в стані нестійкої рівноваги. Принципову схему та графіки напруг такого мультивібратора зображено на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Принципова схема автоколивального мультивібратора на транзисторах (а) і

часові діаграми (б), що ілюструють його роботу

 

Тривалість першого квазістійкого стану τ_п1 (першого імпульсу) розраховується за формулою (7.20). Тривалість другого квазістійкого стану (другого імпульсу) визначається аналогічно:

. (7/24)

Період згенерованих імпульсів

. (7.25)

Якщо сталі часу кіл розряджання конденсаторів і тривалості імпульсів на обох виходах мультивібратора однакові, то він називається симетричнім. Для ідеальної його симетрії мають виконуватися умови

. (7.26)

Резистори навантаження та , транзисторів увімкнено в кола розряджання конденсаторів і ; вони погіршують прямокутність імпульсів, збільшуючи час заряджання конденсаторів. Тривалості фронтів імпульсів визначаються виразами

. (7.2,7)

Для зменшення спотворень прямокутних імпульсів можна ускладнити схему мультивібратора введенням в неї допоміжних вимикальних діодів, емітернихповторювачів, нелінійних 33 тощо.

Рис. 7.11. Схеми мультивібраторів, побудованих на мікросхемі К140УД1А, з малою (а) і підвищеною (б) щільністю імпульсів, а також очікувального мультивібратора (в)

 

У сучасній схемотехніці практичні схеми мультивібраторів будують на аналогових або цифрових мікросхемах. На рис. 7.11 показано схеми мультивібраторів, побудованих на ОП — мікросхемі К140УД1А.

Генератор прямокутних імпульсів (рис. 7.11, а) в автоколивальному режимі виробляє імпульси із щільністю q ≈2. Два квазістійких стани, необхідні для підтримки автоколивального режиму мультивібратора, забезпечуються колом позитивного 33 R3, R2 між виходом і неінвертувальним входом. Перекидання схеми з одного в інший стан здійснюється релаксаційною зміною напруги на інвертувальному вході мультивібратора.

Період його коливань визначається виразом

. (7.28)

Для здобуття імпульсів більшої щільності ланцюжок з резистором R.1 поділяють на дві паралельні ділянки (рис. 7.11, б), створюючи в них різні умови (наприклад, за допомогою діодів) для розряджання і заряджання конденсатора С. Тоді тривалість імпульсів позитивної полярності визначається сталою часу R₁`С, а негативної — сталою часу R<sub>1</sub>`С. Період повторення імпульсів

. (7.29)

їхня щільність.

Опори резисторів в обох схемах вибирають з умови забезпечення потрібних параметрів та гранично допустимих умов роботи ОП. Ці обмеження можна виразити системою нерівностей

(7.30)

де U_дифmах — максимально допустима диференціальна напруга на вході ОП; I_вихmах — максимальний струм на його виході; U_вих — напруга на виході мультивібратора.

Система (7.30) визначає вимоги до мінімально можливих значень опорів резисторів R1, R2 й RЗ.

Для їх розрахунку доцільно задатися опором одного з резисторів, наприклад R2, і далі з (7.30) визначити решту опорів, а з (7.28) або (7.29) знайти ємність конденсатора С.

Вирази (7.28) - (7.30) дійсні для ідеального ОП. В реальному ОП на тривалість і форму імпульсів деякий вплив мають його вхідний та вихідний опори.

Розглянуту схему можна перетворити на схему очікувального мультивібратора (рис. 7.11, в), якщо конденсатор С зашунтувати діодом VD2, щоб забезпечити один стійкий стан генератора. Імпульси запуску в цьому випадку через діод VD1 та диференціювальні елементи подають на неінвертувальний вхід ОП, додержуючись значень знака імпульсу і напрямку вмикання діода.

Значного поширення з різноманітній радіоелектронній апаратурі набули останнім часом мультивібратори, побудовані на інтегральних мікросхемах базових логічних елементів. На рис. 7.12 зображено кілька прикладів схем таких мультивібраторів. Часові діаграми їх визначаються співвідношеннями між ємностями й опорами зовнішніх конденсаторів та резисторів, а умови і режими самозбудження — виключно опорами резисторів, до значення яких ці схеми дуже чутливі.

Розглянемо роботу мультивібратора, складеного за схемою на рис. 7.12, а. Нехай в момент подачі живлення конденсатор С розряджений, а на виході елемента DD2 є рівень логічного нуля. Тоді на виході елемента ПОЗ буде рівень логічної одиниці, так що конденсатор С буде заряджатися від рівня логічної одиниці через резистори R1, R2. Коли напруга на конденсаторі С досягне рівня логічної одиниці, на виході елемента DD1 з'явиться рівень логічного нуля, який інвертується спочатку елементом DD2, а потім елементом DD3, що приведе до появи на його виході рівня логічного нуля, і конденсатор С почне розряджатися. Коли напруга на ньому, а отже, і на вході елемента DD1 знизиться до рівня логічного нуля, на виході цього елемента, а також на виході елемента DDЗ з'явиться рівень логічної одиниці. Процес повторюється.

Період генерації коливань визначається сталою часу кола С, R₁ +R₂. Зміною опору R₁, він регулюється. Застосовуючи кілька конденсаторів С різної ємності, можна побудувати діапазонний генератор. Обмеженням для такої схеми є умова R₁ + R₂ < 2 кОм. Щільність імпульсів генератора дорівнює 2.

Для регулювання щільності імпульсів у схему можна ввести ще один резистор змінного опору (рис. 7.12, б). При вказаних на схемі номіналах деталей забезпечується зміна періоду коливань генератора в 10 разів, а щільності — від 1,2 до 5.

Схему генератора, що працює за принципом класичного мультивібратора, показано на рис. 7.12, в. Період і щільність імпульсів у ній регулюють резисторами R1 й R2, а діапазони зміни періодів установлюють конденсаторами С1 і С2. При вказаних на схемі номіналах деталей період імпульсів дорівнює 2,5 мс.

Основним недоліком розглянутих схем є невисока стабільність періоду генерованих коливань, яка істотно залежить від напруги живлення та температури. Для усунення цього недоліку в схему можна ввести місцеві негативні 33 і побудувати мультивібратор за схемою, зображеною на рис. 7.12,г.

Рис. 7.12. Практичні схеми мультивібраторів, побудованих на мікросхемах серії К155

 

У всіх розглянутих схемах один з елементів відіграє роль узгоджувального вихідного каскаду для усунення впливу навантаження на їхню роботу.

Блокінг-генератор — це релаксаційний генератор, побудований на основі однокаскадного трансформаторного підсилювача, в якому позитивний 33 здійснюється за допомогою вторинної обмотки імпульсного трансформатора. Оскільки зв'язок між його обмотками здійснюється тількипід час зміни колекторного струму транзистора, при насиченні струму транзистора або при його запиранні напруга 33 відсутня.

Очікувальний режим у блокінг-генераторі здійснюється з'єднанням бази транзистора через вторинну обмотку трансформатора і резистор R з емітером (рис. 7.13, а). Якщо на обкладках конденсатора С заряд відсутній, то потенціал на базі транзистора дорівнює нулю й останній закритий. Резистор R_Б введено в схему для того, щоб досліджувати вплив параметрів схеми на тривалість імпульсів. Конденсатор С здійснює накопичення енергії під час формування імпульсу, резистор R призначенийдля розряджання конденсатора. Таким чином, стала часу ланцюжка елементів R та С визначає період повторення імпульсів в автоколивальному режимі і час відновлення напруги на конденсаторі С в очікувальному режимі.

Первинну обмотку імпульсного трансформатора зашунтовано діодом для зриву перехідного коливального процесу. Запуск блокінг-генератора можна здійснити кількома способами. На рис. 7.13, а показано його запуск позитивним імпульсом, поданим у колекторне коло транзистора. На рис. 7.13, б зображено графіки напруг, що ілюструють початковий стан блокінг-генератора і перехідні процеси в ньому.

Рис. 7.13. Спрощена принципова схема очікувального блокінг-генератора (а) і часові

діаграми (б), що ілюструють його роботу

 

У початковому стані транзистор закритий, конденсатор С не заряджений. Для закритого стану транзистора виконується умова

, (7.31)

де U_зап — напруга імпульсу запуску.

Позитивний імпульс запуску, створюючи на базі транзистора стрибок негативної напруги Е_Б > U_зап завдяки зміні фази в трансформаторі на 180°, відкриває транзистор. Зростаючий струм колектора індукує в обмотці базового кола електрорушійну силу, яка подається на базу транзистора і збільшує його колекторний струм. Процес регенерації закінчується переходом транзистора в режим насичення. Час переходу транзистора з режиму відсікання струму в режим насичення визначає тривалість переднього фронту імпульсу.

Перехід у режим насичення супроводжується припиненням зростання струму колектора та розривом кола 33. Струм бази відкритого транзистора заряджає конденсатор С, але його напруга прикладена до бази протилежною полярністю; тому внаслідок зростання напруги на конденсаторі зменшується струм бази, що зумовлює вихід транзистора зі стану насичення. Час заряджання конденсатора С через резистор R_Б й опір переходу база — емітер наближено визначає тривалість імпульсу:

. (7.32)

У момент переходу транзистора із стану насичення в активний режим завдяки електрорушійній силі індукції із зміненою полярністю відновлюється коло 33 через трансформатор, унаслідок чого зменшується колекторний струм і відбувається лавиноподібне запирання транзистора. Далі конденсатор С повільно розряджається через високоомний резистор R. Повне відновлення схеми відбувається тільки після того, коли конденсатор розрядиться до напруги, сумірної з напругою відкривання транзистора. Наближено час відновлення

. (7.33)

Якщо імпульс запуску надходить до моменту відновлення схеми, то блокінг-генератор може не запуститися. Це явище використовують для поділу частоти.

Автоколивальний режим блокінг-генератора забезпечується перемиканням резистора R у коло джерела живлення (рис. 7.14, а). У цьому разі блокінг-генератор не має стану стійкої рівноваги. Після вмикання джерела живлення конденсатор С заряджається через резистор R. Коли напруга на ньому досягає напруги відкривання транзистора, останній відкривається і входить в активний режим. У колі 33 створюються умови для лавиноподібного переходу транзистора в режим насичення (цей процес називається блокінг-процесом).

Як і в очікувальному режимі, з цього моменту починається процес формування вершини імпульсу. В першому наближенні часові діаграми цього процесу (рис. 7.14, 6) визначаються часом заряджання конденсатора завдяки струму бази, який зі зростанням напруги на конденсаторі зменшується. Тривалість імпульсу наближено визначається виразом (7.32).

Рис. 7.14. Спрощена принципова схема блокінг-генератора (а) і часові діаграми (б), що

ілюструють його роботу

 

Після виходу транзистора з режиму насичення виникає зворотний лавиноподібний блокінг-процес, але напруга на конденсаторі С, прикладена до бази, підтримує транзистор у закритому стані. Розряджання конденсатора С через резистор R, тривалість якого визначається виразом (7.33), відбувається до моменту відкривання транзистора і переходу його в активний режим роботи, з якого починається новий прямий блокінг-процес. Тривалість розряджання конденсатора визначає період повторення імпульсів.

У виразах (7.32) та (7.33) не враховано всі фізичні процеси, що відбуваються в схемі: вплив на тривалість імпульсів інерційних властивостей транзистора, його коефіцієнта передачі та інших властивостей. Характер впливу цих процесів залежить від ємності конденсатора С.

При великій ємності конденсатора С виконується умова

. (7.34)

У цьому разі за час дії імпульсу конденсатор заряджається до напруги U_{C max} <E Вплив параметрів транзистора на тривалість імпульсів визначається коефіцієнтом передачі транзистора за струмом. Зв'язок між періодом повторення і тривалістю імпульсу такий:

(7.35)

де п — коефіцієнт трансформації імпульсного трансформатора.

При малій ємності конденсатора С на тривалість імпульсів істотно впливають інерційні властивості та параметри транзистора. Характер їх впливу можна спостерігати за граничних умов, коли зовнішній опір R_Е кола бази дорівнює нулю і конденсатор С в схемі відсутній. Тривалість імпульсів при цьому буде мінімальною для вибраних типів транзистора та імпульсного трансформатора.

Крім розглянутої, на практиці застосовують схеми блокінг-генерато­рі які відрізняються способами вмикання транзистора і місцем приєднан­ня конденсатора. Наприклад, для більшої стабільності періоду повторен­ня імпульсів конденсатор С доцільно ввімкнути в емітерне коло тран­зистора. В такій схемі нестабільність струму закритого транзистора не впливає на час перезаряджання конденсатора.