Ждущий мультивибратор на транзисторах

Ждущие мультивибраторы после поступления короткого запускающего импульса формируют один выходной импульс. Они относятся к классу моностабильных устройств и имеют одно длительно устойчивое и одно квазиустойчивое состояния равновесия. Схема простейшего ждущего мультивибратора на биполярных транзисторах, имеющего одну резистивную и одну емкостную коллекторно-базовые связи, приведена на рис. 8. Благодаря связи базы VT ₂ с источником напряжения питания + Е через R _б2 в цепи базы течет отпирающий ток, достаточный для насыщения этого транзистора. При этом выходное напряжение, снимаемое с коллектора VT ₂ близко к нулю. Транзистор VT ₁ заперт отрицательным напряжением, полученным в результате деления напряжения источника смещения - Е _см делителем R _б1 R _с. Таким образом, после включения источников питания состояние схемы определено. В этом состоянии конденсатор С ₁ заряжен до напряжения источника + Е (плюс на левой, минус на правой обкладке).

Рис. 8. Ждущий мультивибратор на транзисторах

В данном состоянии ждущий мультивибратор может находиться сколь угодно долго – до прихода запускающего импульса. Положительный запускающий импульс (рис. 9) отпирает транзистор VT ₁, что приводит к увеличению коллекторного тока и уменьшению коллекторного потенциала этого транзистора. Отрицательное приращение потенциала через конденсатор С ₁ передается на базу VT ₂, выводит этот транзистор из насыщения и вызывает его переход в активный режим. Коллекторный ток транзистора уменьшается, напряжение на коллекторе получает положительное приращение, которое с коллектора VT ₂ через резистор R _c передается на базу VT ₁, вызывая его дальнейшее отпирание. Для уменьшения времени отпирания VT ₁ параллельно R _c включают ускоряющий конденсатор С _уск. Процесс переключения транзисторов происходит лавинообразно и заканчивается переходом мультивибратора во второе квазиустойчивое состояние равновесия. В этом состоянии происходит разряд конденсатора С ₁ через резистор R _б2 и насыщенный транзистор VT ₁ на источник питания +Е. Положительно заряженная обкладка С ₁ через насыщенный транзистор VT ₁ подключена к общему проводу, а отрицательно заряженная – к базе VT ₂. Благодаря этому, транзистор VT ₂ удерживается в запертом состоянии. После разряда С ₁ потенциал базы VT ₂ становится неотрицательным. Это приводит к лавинообразному переключению транзисторов (VT ₂ отпирается, а VT ₁ запирается). Формирование выходного импульса заканчивается. Таким образом, длительность выходного импульса определяется процессом разрядки конденсатора С ₁

.

Амплитуда выходного импульса

.

По окончании формирования выходного импульса начинается этап восстановления, в течении которого происходит заряд конденсатора С ₁ от источника + Е через резистор R _к1 и эмиттерный переход насыщенного транзистора VT ₂. Время восстановления

.

Минимальный период повторения, с которым могут следовать запускающие импульсы, равен

.

Рис. 9. Временные диаграммы напряжений в схеме ждущего мультивибратора

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционными усилителями (ОУ) называют высококачественные усилители постоянного тока (УПТ), предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

Усилители постоянного тока позволяют усиливать медленно изменяющиеся сигналы, так как имеют нулевую нижнюю граничную частоту полосы усиления (f_н=0). Соответственно в таких усилителях отсутствуют реактивные компоненты (конденсаторы, трансформаторы), которые не пропускают постоянную составляющую сигнала.

На рис. 10,а приведено условное обозначение ОУ. Показанный усилитель имеет один выходной вывод (изображен справа) и два входных (показаны с левой стороны). Знак Δ или > характеризует усиление. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180⁰ относительно выходного напряжения, называется инвертирующим и обозначается знаком инверсии ○, а вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным, – неинвертирующим. ОУ усиливает дифференциальное (разностное) напряжение между входами. Операционный усилитель содержит также выводы для подачи напряжения питания и может содержать выводы частотной коррекции (FC), выводы балансировки (NC). Для облегчения понимания назначения выводов и повышения информативности в условном обозначении допускается введение одного или двух дополнительных полей с обеих сторон от основного поля, в которых указываются метки, характеризующие функции вывода (рис. 10,б). В настоящее время операционные усилители выпускаются в виде интегральных микросхем. Это позволяет рассматривать их как отдельные компоненты с определенными параметрами.

Параметры и характеристики ОУ можно условно разделить на входные, выходные и характеристики передачи.

Входные параметры.

1. Напряжение смещения нуля U_см – это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления усилителя (единицы – десятки мВ). Данный параметр показывает какой источник напряжения необходимо подключить ко входу ОУ для того, чтобы получить нулевое выходное напряжение.

2. Входные токи I_вх1, I_вх2 (единицы нА – десятки мкА). Данные токи обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим входного дифференциального каскада ОУ. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек.

3. Разность входных токов .

4. Входное сопротивление для дифференциального сигнала R_{вх диф} (десятки кОм – сотни МОм).

5. Входное сопротивление для синфазного сигнала R_{вх сф}. Данное сопротивление на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.

6. Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов. Характеризуют изменение соответствующих параметров с температурой.

а) б)

Рис. 10. Условное обозначение операционного усилителя:
а – без дополнительного поля; б – с дополнительным полем; NC – выводы балансировки;
FC – выводы частотной коррекции; U – выводы напряжения питания; 0V – общий вывод

Характеристики передачи.

1. Коэффициент усиления по напряжению К_U (10³ – 10⁶)

,

где U_вх1, U_вх2 – напряжения на входах ОУ.

2. Коэффициент передачи синфазного сигнала К_{U сф}

.

3. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К _{ос сф}

.

4. Частота единичного усиления f₁ – это частота, на которой коэффициент усиления по напряжению равен единице (единицы – десятки МГц).

5. Скорость нарастания выходного напряжения V_Uвых – это максимально возможная скорость изменения выходного сигнала.

Выходные параметры.

1. Максимальное выходное напряжение ОУ U_{вых max}. Как правило данное напряжение на 2-3 В ниже напряжения источника питания.

2. Выходное сопротивление R_вых (десятки – сотни Ом).

Основные схемы включения операционного усилителя.

Операционные усилители обычно используют с глубокой отрицательной обратной связью, так как они имеют значительный коэффициент усиления по напряжению. При этом от элементов цепи обратной связи зависят результирующие параметры усилителя.

В зависимости от того, к какому входу ОУ подключается источник входного сигнала, различают две основные схемы включения (рис. 11). При подаче входного напряжения на неинвертирующий вход (рис. 11,а) коэффициент усиления по напряжению определяется выражением

. (1)

Такое включение ОУ используют тогда, когда требуется повышенное входное сопротивление. Если на схеме рис. 11, а убрать сопротивление R₁ и закоротить сопротивление R₂, то получится повторитель напряжения (К_u =1), который используют для согласования высокого сопротивления источника сигнала и низкого сопротивления приемника.

а) б)

Рис. 11. Схемы усилителей на ОУ:
а – неинвертирующий усилитель; б – инвертирующий усилитель

При подаче входного напряжения на инвертирующий вход (рис. 11, б) коэффициент усиления равен

. (2)

Как видно из выражения (2) при таком включении входное напряжение инвертируется.

В рассмотренных схемах к одному из входов подключено сопротивление R_э. Оно не влияет на коэффициент усиления и вводится, когда это необходимо для уменьшения изменений выходного напряжения, вызванных временными или температурными колебаниями входных токов. Сопротивление R_э выбирают таким, чтобы эквивалентные сопротивления, подключенные ко входам ОУ, были одинаковы. Для схем рис. 10 .

Модифицировав схему рис. 11, б, можно получить суммирующее устройство (рис. 12, а), в котором

. (3)

При одновременной подаче напряжения на оба входа ОУ получается вычитающее устройство (рис. 12, б), для которого

. (4)

Данное выражение справедливо при выполнении условия .

а) б)

Рис. 12. Схемы включения ОУ:
а – сумматор напряжений; б – вычитающее устройство