4.9. ГЕНЕРИРОВАНИЕ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В радиолокационных устройствах, многоканальных системах связи, вычислительных, измерительных и других устройствах и приборах широко используются генераторы, вырабатывающие несинусоидальные колебания. В каждом конкретном случае требуются колебания определенной формы. Так, в осциллографах и телевизорах для осуществления развертки необходимо иметь генератор пилообразного напряжения или тока, в разнообразных импульсных устройствах — генераторы, вырабатывающие импульсы прямоугольной, треугольной или какой-либо иной формы.

Резко несинусоидальные колебания, характеризующиеся разрывом функции или ее производной, называются релаксационными, а создающие их устройства — генераторами релаксационных, колебаний. Релаксационные колебания могут быть получены как в схемах, аналогичных используемым для генерирования почти гармонических колебаний (при определенном выборе параметров последних), так и в многочисленных специальных схемах релаксационных генераторов. Последние создаются преимущественно на полупроводниковых приборах.

Определим условия получения релаксационных колебаний в генераторе рис. 4.16. Преобразуем (4.153), обозначив

Заменяя в (4.250) переменную и на получим уравнение Ван-дер-Поля

При описывает колебание в контуре без потерь имеющее, как известно, гармонический характер. Чем больше параметр тем сильнее колебание, определяемое (4.251), должно отличаться от гармонического. Плавным увеличением можно осуществить переход от синусоидальных колебаний к резко несинусоидальным. На фазовой плоскости последним соответст-. вуют предельные циклы, форма которых резко отличается от окружностей или эллипсов.

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Мультивибраторами называются релаксационные генераторы, состоящие из двухкаскадных резистивных усилителей, выход которых соединен со входом. В результате образуется замкнутая цепь

с положительной обратной связью. На рис. 4.59 приведена схема мультивибратора, состоящая из двух однотипных транзисторных усилителей с общим эмиттером.

Рис. 4.59

Мультивибратор называется симметричным, если транзисторы и сходные элементы схемы каждого усилителя одинаковые, т. е.

и несимметричным, если какое-либо из этих условий не выполняется. Можно ожидать, что рассматриваемый далее симметричный мультивибратор будет находиться в таком состоянии равновесия, при котором напряжения и токи в соответствующих элементах каждого усилителя окажутся одинаковыми:

Полярность напряжений соответствует указанной на рис. 4.59. Однако такое состояние равновесия является неустойчивым. Действительно, если ток транзистора несколько увеличится (например, из-за действия флуктуации), возрастет падение напряжения на что вызовет повышение потенциала коллектора (точка потенциалы эмиттеров транзисторов считаем нулевыми. Конденсатор начнет разряжаться по цепи: источник транзистор Разрядный ток протекает во внешней цепи конденсатора в указанном на рисунке направлении.

Напряжение на конденсаторе мгновенно измениться не может, поэтому возрастание потенциала точки вызовет такое же увеличение потенциала на базе транзистора Последнее приведет к уменьшению токов а также к понижению потенциала

Напряжение окажется большим суммы в результате чего начнется заряд конденсатора током протекающим от через промежуток эмиттер—база открытого

транзистора конденсатор С, и резистор В результате понижается потенциал что способствует увеличению

Если коэффициент усиления схемы

где коэффициенты усиления каскадов, произойдет дальнейшее увеличение тока повышение потенциала а значит, и базы «62. еще большее уменьшение тока понижение потенциалов и «61 и т. п. В результате лавинообразного, почти мгновенного (поскольку обычно развития этого процесса схема переходит в состояние, в котором: а) транзистор открыт и насыщен, в результате чего близко к нулю, б) транзистор заперт положительным напряжением на его базе, в) конденсатор разряжается, а заряжается.

Рис. 4.60

На рис. 4.60 приведены осциллограммы напряжений в мультивибраторе.

Рассмотренное лавинообразное открывание одного транзистора и запирание другого соответствует моменту Постоянные времени заряда Тзар и разряда Траз существенно различаются: если пренебречь небольшим сопротивлением база—эмиттер открытого транзистора, в пренебрежении сопротивлением коллектор — эмиттер открытого транзистора.

Обычно Страз, и заряд конденсатора происходит значительно быстрее разряда. Напряжение по окончании заряда конденсатора несколько уменьшается по абсолютной величине, но сохраняется отрицательным, благодаря чему транзистор остается открытым.

Процесс разряда конденсатора имеющий экспоненциальный характер, сопровождается уменьшением разрядного тока и положительного потенциала в момент достигает определенного для данного типа транзистора (приблизительно нулевого) уровня, транзистор открывается; появляется ток увеличивается потенциал а значит, и несколько уменьшается ток Это приводит к уменьшению потенциала а значит, и Когда транзистор откроется настолько, что окажется произойдет дальнейшее лавинообразное развитие этого процесса, в результате чего

состояние схемы скачкообразно изменится: транзистор окажется открытым, закрытым, конденсатор станет заряжаться, разряжаться. Схема будет оставаться в таком состоянии до тех пор, пока в результате разряда конденсатора не произойдет очередное переключение, и т. д.

Потенциал коллектора закрытого транзистора равен В результате отпирания транзистора последний скачком переходит в режим насыщения, когда Скачкообразное повышение потенциала коллектора на величину в первый момент полностью передается на базу другого транзистора, увеличивая ее напряжение от небольшого отрицательного до максимального положительного.

В момент скачкообразного запирания транзистора параллельно ему оказывается подключенным разряженный к этому времени конденсатор восстановление большого коллекторного напряжения происходит постепенно, путем заряда конденсатора током в результате чего напряжение несколько отличается от прямоугольного.

Период колебаний мультивибратора определяется продолжительностью процессов разряда конденсаторов где — время запертого состояния транзистора то же для транзистора

Рис. 4.61

Для определения величин на рис. 4.61 а и б приведены эквивалентная схема разряда конденсатора и временная диаграмма изменения Момент на последней соответствует началу разряда, когда Изменение происходит по закону

где постоянная времени разряда конденсатора В момент и транзистор отпирается:

Аналогично продолжительность запертого состояния транзистора определяется выражением

где

Таким образом, период колебаний

Во многих случаях нижние точки резисторов подключают непосредственно к клемме Тогда и

Полученные выражения позволяют определить величины необходимые для достижения определенного периода колебаний мультивибратора и каждой его части Например, для того чтобы в симметричном мультивибраторе при получить колебания с заданным периодом постоянные времени должны быть Если при том же требуется, чтобы постоянные времени придется выбрать: