МУЛЬТИВИБРАТОР С КОРОТКИМ ЗАДНИМ ФРОНТОМ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2000 года по МПК H03K3/281 

Изобретение относится к технике автоматического управления и может быть использовано при разработке электронных импульсных схем для создания переключающих, счетных устройств, устройств временной задержки, а также для обработки двоичной информации в цифровой технике.

Известны мультивибраторы [1, 2] - формирователи периодически повторяющихся почти прямоугольных импульсов напряжения. На фиг. 1 показана наиболее распространенная (классическая) схема мультивибратора с коллекторно-базовыми связями. Мультивибратор с двумя электронными ключами на транзисторах VT1 и VT2, выходное напряжение каждого из которых подается на вход другого, в результате образуется положительная обратная связь между электронными ключами и двухкаскадная система приобретает способность к возбуждению. Происходит периодический переброс схемы из одного состояния в другое, сопровождаемый быстрым нарастанием тока одного транзистора, и переход этого транзистора в насыщение и одновременный спад тока другого транзистора и переход его в состояние отсечки. Мультивибратор при этом оказывается в одном из двух квазиустойчивых состояний. Длительность нахождения его в этом состоянии определяется времязадающими цепями R_б1C₁ и R_б2C₂
Если, например, в момент t₀ открывается транзистор VT1, а транзистор VT2 закрывается, начинается процесс заряда конденсатора C₂ по цепи +E, открытый эмиттерный переход транзистора VT1, C₂, R_к2, -E до напряжения U_с2 ≈ E с постоянной времени τ_з2 = R_к2C₂
Ток заряда

протекая по коллекторному резистору запертого транзистора, создает падение напряжения U_к2 = i_з2 R_к2. Таким образом, напряжение на запертом транзисторе снижается до значения -E не скачком, а спадает экспоненциально с постоянной времени τ_з2 = R_к2C₂. В процессе функционирования мультивибратора формируется импульс с крутым передним фронтом и растянутым задним, длительность которого значительно превышает длительность переднего, как показано на эпюрах фиг. 2.

Конденсатор С при t > t₀, который был в предыдущий полупериод заряжен до напряжения U_с1 ≈ -E, начинает перезаряжаться, и в тот момент, когда напряжение на нем переходит через ноль, напряжение на базе VT2 оказывается также равно нулю, и он открывается, закрывая по цепи обратной связи транзистор VT1. Как и при закрывании, напряжение на его коллекторе не сразу достигает значения -E, а спадает с постоянной времени τ_з1 = R_к1C₁
Задержка заднего фронта происходит потому, что в отличие от переднего фронта, возникающего под влиянием положительной обратной связи, он представляет собой просто заряд конденсатора с постоянной временит τ = R_кc.
Плохая форма импульса, связанная с пологим задним фронтом, является главным недостатком классических мультивибраторов. Он настолько существенен, что разработаны модификации мультивибраторов. Наиболее известны:
1. Мультивибраторы с отсекающими диодами [3];
2. Мультивибраторы с фиксирующими диодами [3].

В первом случае при запирании транзистора времязадающий конденсатор отключается от коллекторного сопротивления в результате закрытия отсекающих диодов, и напряжение на коллекторе скачком уменьшается до -E. Длительность переднего и заднего фронтов здесь практически равны, максимальная скважность меньше, чем в основной схеме [3].

Во втором случае уменьшение заднего фронта достигается тем, что напряжение питания с помощью дополнительного источника фиксируется на низком уровне. Чем меньше напряжение дополнительного источника, тем меньше длительность заднего фронта. Однако в той же степени снижается амплитуда импульса мультивибратора [3].

В схемах с отсекающими и фиксирующими диодами процесс формирования импульсов не отличается от процессов в основной схеме, поэтому в качестве прототипа выбираем схему мультивибратора с коллекторно-базовыми связями.

Задача изобретения - разработка мультивибратора, формирующего импульсы с коротким задним фронтом, не превышающим по длительности передний.

Эта задача достигается с помощью схемы мультивибратора с коротким задним фронтом, которая показана на фиг. 3.

Мультивибратор с коротким задним фронтом питается от двух источников напряжения E, соединенных последовательно и имеющих заземленную общую точку, относительно которой снимается выходное напряжение. Он образован двумя электронными ключами ab и cd на транзисторах противоположной проводимости VT1 и VT2 с их коллекторными резисторами R_к1 и R_к2, включенными параллельно цепи положительной обратной связи MN. Эта цепь содержит два последовательно соединенных усилителя на транзисторах противоположной проводимости VT3 и VT4, эмиттеры которых соединены и заземлены, базы соединены между собой общей точкой О' соединенных коллекторов VT1 и VT2, образующей выход схемы относительно земли. Общая точка О' соединена с помощью конденсаторов C₁ и C₂ с коллекторами транзисторов VT3 и VT4. Базы основных транзисторов VT1 и VT2 соединены с коллекторными сопротивлениями усилителей так, что база транзистора основной цепи (VT1 или VT2) соединена с тем транзистором цепи положительной обратной связи MN, который имеет противоположный тип проводимости. Для простоты выберем элементы схемы, приведенной на фиг. 3 из условия
R_к1 = R_к2; R₃ = R'₃ +R''₃ = R'₄ + R''₄ = R₄; C₁ = C₂.

Тогда процессы, происходящие ниже средней линии O'O', идентичны процессам верхней части схемы и отличаются только знаками токов и напряжений.

При включении питания напряжение в точках О' в первый момент вследствие равенства R_к1 = R_к2 оказывается равно 0. В момент включения t₀ возникают зарядные токи конденсатора C₁, заряжающегося по цепи E, R₃, C₁, О' и конденсатора C₂, заряжающегося по цепи О', C₂, R₄, -E. Зарядные токи, протекая по сопротивлениям R₃ и R₄, создают на базах транзисторов VT1 и VT2 напряжения по отношению к эмиттерам, открывают транзисторы и вводят в активный режим. Вследствие неполной симметрии, технологических факторов и случайных процессов коллекторные токи транзисторов VT1 и VT2 отличаются друг от друга и падения напряжения на резисторах R_к1 и R_к2 не одинаковы, что приводит к отклонению напряжения в точке О' от 0. И тут вступает в действие положительная обратная связь: если напряжение в точке О' оказалось выше 0, напряжение на базах транзисторов VT3 и VT4 тоже выше 0. При этом транзистор VT3 приоткроется и его коллекторный ток увеличит напряжение на базе транзистора VT1 по отношению к эмиттеру (именно для этого нужен активный режим). В то же время ток транзистора VT4 снизится. Ток под действием положительной обратной связи VT1 входит в насыщение, а транзистор VT2 закрывается. На этом действие цепи обратной связи прекращается и вся система оказывается в одном из двух квазиустойчивых состояний, когда один транзистор открыт и насыщен, второй заперт. Если напряжение в точке О' оказалось ниже 0, приоткрывается транзистор VT4, а положительная обратная связь приводит к насыщению транзистора VT2 и появлению отсечки тока у транзистора VT1. Процесс открывания одного транзистора и одновременно закрытие другого происходит лавинообразно, поскольку оба транзистора находятся в активной области и между ними действует положительная обратная связь. На выходе практически мгновенно устанавливается напряжение, незначительно отличающееся от напряжения источника Е.

Открытое состояние транзистора VT1 (VT2) поддерживается падением напряжения на части коллекторной нагрузки VT3 (VT4), а ток транзисторов VT3 и VT4 в свою очередь обеспечивается напряжением на коллекторах основных транзисторов VT1 или VT2. Закрытое состояние другого транзистора обеспечивается нулевым напряжением на его базе при закрытом транзисторе VT3 (или VT4). Изменение режима транзисторов, приводящее к смене состояний, происходит в результате того, что конденсаторы C₁ и C₂, заряженные в первый момент работы схемы до напряжений U_с1о и U_с2о и сохранившие эти напряжения в процессе лавинного преобразования, в дальнейшем будут изменять свое состояние.

После открывания транзистора VT1 зарядным током конденсатора C₁ и последующего отпирания транзистора VT3 конденсатор C₁ будет заряжаться уже по другому пути E, R_к2 , C₁, открытый транзистор VT3, 0. Но при смене направления заряда направление тока в резисторе R₃ не изменится и транзистор VT1 остается открытым.

В то же время отрицательное напряжение на конденсаторе C₂ при закрытии транзистора VT2 в момент t₀, а следовательно и VT4, складывается с отрицательным напряжением источника и их сумма оказывается меньше -Е. Конденсатор C₂ будет перезаряжаться, стремясь изменить свой заряд на противоположный.

Но в тот момент, когда напряжение на нем проходит нулевое значение, а напряжение на базе станет чуть меньше напряжения источника - E, транзистор VT2 откроется и вызовет запирание транзистора VT1 - мультивибратор перешел в другое квазиустойчивое состояние.

Теперь напряжение в точке О' отрицательное и незначительно отличается от отрицательного напряжения источника на величину коллекторного напряжения насыщения транзистора VT2. Далее, после запирания транзисторов VT1 и VT3 напряжение в точке М подскочит на величину, близкую к E, а напряжение на конденсаторе C₁, сохранившем свой заряд, окажется выше напряжения источника + Е. Начинается перезаряд конденсатора C₁ и после прохождения точки U_c = 0 транзистор VT1 снова открывается.

Процессы в схеме иллюстрируются эпюрами фиг.4.

Источники информации
1. Каганов И.Л. Промышленная электроника. -М.: Высшая школа, 1983, 558 с.

2. Исаков Ю.А. Промышленная электроника. -Киев: Вища школа, 1975, 328 с.

3. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М. : Энергия, 1977, 672 с.

Изобретение может быть использовано в области импульсной электронной техники при создании переключающих, счетных устройств, а также для обработки двоичной информации в цифровой технике. Мультивибратор содержит два электронных ключа (К) (VT1, VT2), выполненные на транзисторах (Т) разного типа проводимости, цепь положительной обратной связи, содержащую времязадающие конденсаторы (К) (C1, C2) и два последовательно соединенных усилителя (У) на Т (VT3, VT4) разного типа. Резисторные делители напряжения образуют коллекторные нагрузки У. К связывают коллектор Т каждого У с общей точкой, объединяющей коллекторы ТК. Базы Т цепи ПОС образуют общий выход устройства по отношению к средней точке источника питания. В мультивибраторе формирование заднего фронта происходит так же, как и переднего, под воздействием положительной обратной связи. Технический результат: схема формирует прямоугольные импульсы, симметричные по отношению к оси времени. 4 ил.

Мультивибратор с коротким задним фронтом прямоугольных импульсов, образованный двумя электронными ключами и цепью положительной обратной связи, содержащей времязадающие конденсаторы, отличающийся тем, что источник питания имеет вывод средней точки, транзисторы электронных ключей имеют разный тип проводимости, цепь положительной обратной связи содержит два последовательно соединенных усилителя на транзисторах разного типа проводимости, эмиттеры которых соединены со средней точкой источника питания, а в коллекторные цепи включены резисторные делители напряжения, образующие коллекторные нагрузки усилителей, часть которой между полюсами источника питания и средней точкой делителей соединена со входом транзистора так, что тип проводимости транзистора ключа противоположен типу проводимости транзистора усилителя, времязадающие конденсаторы, связывающие коллектор транзистора каждого усилителя с общей точкой, объединяющей коллекторы транзисторов ключей, базы транзисторов цепи положительной обратной связи образуют общий выход устройства по отношению к средней точке источника питания