Multivibraattori

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 27. syyskuuta 2018 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 18 muokkausta .

Multivibraattori on sähköisten neliöaaltovärähtelyjen relaksaatiogeneraattori , jonka eturintamat ovat lyhyet .

Multivibraattori on yksi yleisimmistä elektroniikassa ja radiotekniikassa käytetyistä suorakaiteen muotoisista pulssigeneraattoreista. Se on yleensä kaksivaiheinen resistiivinen vahvistin , jota ympäröi syvä positiivinen palaute .

Elektroniikkatekniikassa käytetään monenlaisia multivibraattoripiirejä, jotka eroavat toisistaan piireiltä, käytettyjen aktiivisten komponenttien tyypistä ( putki , transistori , tyristori , mikroelektroniikka ja muut), jotka eroavat toimintatavasta ( itsevärähtelevä , odottava, ulkoisella synkronoinnilla), vahvistuselementtien välisen yhteyden tyyppi, tavat säätää generoitujen pulssien kestoa ja taajuutta sekä muita parametreja.

Historia

Multivibraattorin keksivät ensimmäisen maailmansodan aikana ranskalaiset tiedemiehet Henri Abraham ja Eugene Bloch, ja se kuvattiin ensimmäisen kerran Annales de Physique -lehdessä vuonna 1919 julkaistussa artikkelissa [1]

Laitteen nimeä multivibraattori ehdotti hollantilainen fyysikko van der Pol , ja se heijastaa sitä tosiasiaa, että multivibraattorin suorakulmaisten värähtelyjen spektrissä on monia korkeampia harmonisia - toisin kuin sinivärähtelyjen generaattori ("monovibraattori").

Jotkut multivibraattorityypit ja -luokitukset

Multivibraattoreita on kolme tyyppiä käyttötavasta riippuen:

epävakaa , itsevärähtelevä tai epästabiili : laite värähtelee jatkuvasti ja muuttuu spontaanisti tilasta toiseen. Tämä ei vaadi ulkoista synkronointisignaalia, jos sinun ei tarvitse siepata värähtelytaajuutta.
monostabiili : yksi tila on stabiili, mutta toinen tila on epävakaa (transientti). Multivibraattori menee jonkin aikaa, sen komponenttien parametrien mukaan, epävakaaseen tilaan liipaisupulssin vaikutuksesta. Sitten se palaa vakaaseen tilaan, kunnes seuraava laukaisupulssi saapuu. Tällaisia multivibraattoreita käytetään muodostamaan pulssi, jonka kesto on kiinteä, riippumatta liipaisupulssin kestosta. Tämän tyyppistä multivibraattoria kutsutaan joskus kirjallisuudessa yksittäisvibroiksi tai valmiustilan multivibraattoreiksi .
bistabiili : multivibraattori on vakaa missä tahansa kahdesta tilasta ja se voidaan vaihtaa tilasta toiseen käyttämällä ulkoisia pulsseja. Tällaisia laitteita kutsutaan bistabiileiksi flip-flopeiksi . Tällaisia laukaisimia kutsutaan joskus "multivibraattoreiksi", mikä ei ole oikein, koska nämä liipaisimet ovat vain multivibraattorien alaluokka, mutta eivät lainkaan multivibraattoreita.

Multivibraattorin sijoittaminen itseoskillaattorien luokkaan on perusteltua vain sen toimintatavassa itsevärähtelevässä tilassa . Valmiustilassa multivibraattori tuottaa pulsseja vain, kun sen sisääntuloon vastaanotetaan synkronointisignaaleja.

Synkronointitila eroaa itsevärähtelevästä siinä, että tässä tilassa on mahdollista ulkoisen ohjauksen (synkronoivan) värähtelyn avulla synkronoida itsevärähtelevän multivibraattorin värähtelytaajuus synkronointisignaalin taajuuteen tai tee siitä monikerta (" taajuuskaappaus " -tila ) itsevärähteleville multivibraattoreille.

Schmittin multivibraattori

Joskus multivibraattoreita kutsutaan Schmitt-liipaisuiksi - elektroniikkapiireiksi, jotka eivät ole fyysisesti multivibraattoreita, vaan vertailevia hystereesillä .

Symmetrinen multivibraattori

Kuvassa esimerkkinä esitettyä "klassista" multivibraattoripiiriä kahdella saman tyyppisellä johtavuustransistorilla ei juurikaan käytetä nyt, koska sillä on huonot taajuusominaisuudet ja riittämättömän jyrkät rintamat, mikä rajoittaa sen generointitaajuuden MHz :n yksikköihin. . Komponenttien arvojen (vastusten resistanssit ja kondensaattorien kapasitanssit) pienentyessä generointitaajuuden lisäämiseksi molemmat transistorit menevät avoimeen tai kyllästettyyn tilaan ilman generointia - tuotanto katkeaa spontaanisti, ja tuotannon palauttamiseksi laite on käynnistetään uudelleen - esimerkiksi syöttämällä pulssi yhden transistorin kantaan, mikä ei ole hyväksyttävää monissa sovelluksissa.

Symmetristä multivibraattoria kutsutaan, kun vastusten R1 ja R4, R2 ja R3 resistanssit ovat pareittain yhtä suuret, kondensaattoreiden C1 ja C2 kapasitanssit sekä transistorien Q1 ja Q2 parametrit.

Symmetrinen multivibraattori synnyttää suorakulmaisia värähtelyjä (" meander "), joiden toimintajakso on 2, eli suorakaiteen muotoisen signaalin, jossa pulssin kesto ja tauon kesto ovat samat.

"Klassisen" järjestelmän mukaista symmetristä multivibraattoria käytetään laajalti koulutus- ja esittelytarkoituksiin yksinkertaisimpana sähköisten värähtelyjen generaattorina piirisuunnittelussa . Tämän piirin toimintaperiaate on helppo ymmärtää, ja tämä piiri on myös kätevä siinä mielessä, että sen toteuttamiseen ei vaadita tilaa vieviä ja epämukavia keloja ja muuntajia .

Odottavat multivibraattorit

Monostable multivibraattori

Monostabiili multivibraattori, jota usein kutsutaan myös yksittäisvibraattoriksi, on eräänlainen valmiustilan multivibraattori. Sillä on yksi vakaa tila ja yksi epävakaa tila. Kun liipaisupulssi saapuu, yksistabiili multivibraattori siirtyy epävakaaseen tilaan jonkin aikaa , eikä tämä aika riipu liipaisupulssin kestosta (kuvan 2 piirissä), ja palaa sitten vakaaseen tilaan. $t=\ln(2)\cdot R_{2}\cdot C_{1}$

Yksittäisiä vibraattoreita käytetään muuttamaan pulssien muotoa pulssilaajentimissa [2] [3] .

Bstabiili multivibraattori

Bstabiili multivibraattori on eräänlainen valmiustilassa oleva multivibraattori, jossa on kaksi vakaata (stabiilia) tilaa, joille on tunnusomaista erilaiset lähtöjännitetasot. Pääsääntöisesti bistabiilit multivibraattorit siirtyvät vakaasta tilasta toiseen eri tuloihin syötetyillä signaaleilla, kuten kuvan kaaviosta näkyy. Tässä tapauksessa bistabiili multivibraattori on RS-tyyppinen flip- flop . Joissakin piireissä kytkemiseen käytetään yhtä tuloa, johon kytketään eri tai saman polariteetin omaavia pulsseja; kun kytketään tiloja, joilla on sama polariteetti pulsseilla yhdessä sisääntulossa, tällaisia laitteita kutsutaan "kiikkuiksi, joissa on laskentatulo". ”.

Bstabiilia multivibraattoria käytetään liipaisutoiminnon lisäksi myös ulkoisen signaalin kanssa synkronoitujen generaattoreiden rakentamiseen. Tämän tyyppisille bistabiileille multivibraattoreille on ominaista vähimmäisviipymisaika kussakin tilassa tai minimivärähtelyjakso. Multivibraattorin tilan muutos on mahdollista vasta, kun viimeisestä kytkennästä on kulunut tietty aika (ns. "kytkentäkuollut aika"), ja se tapahtuu synkronointisignaalin etuosan saapuessa.

Multivibraattori operaatiovahvistimessa

Periaatteessa on mahdollista rakentaa itsevärähtelevä multivibraattori invertoivalle komparaattorille, jonka hystereesi on negatiivisen takaisinkytkennän peitossa. Esimerkki tällaisesta operaatiovahvistinta (op amp) käyttävästä rakenteesta on esitetty oikealla olevassa kuvassa.

Positiiviseen takaisinkytkentäpiiriin sisältyvän vastusparin R4 jännitteenjakaja siirtää operaatiovahvistimen hystereesillä komparaattorimoodiin invertoivan sisääntulon kautta, johon integrointipiiri R2, C1 on kytketty. Kun komparaattori kytketään tilasta tilaan, integrointipiirin virran suunta muuttuu ja kondensaattori alkaa latautua toiseen suuntaan, kunnes saavutetaan erilainen vertailukynnys ja jännitteen napaisuus op:n lähdössä. -vahvistin on kytketty. Tässä piirissä operaatiovahvistin suorittaa useita toimintoja kerralla: purkaus- ja latausjännitteiden lähde kondensaattorille, vertailija ja lähtökytkin.

Multivibraattori induktanssilla

Joissakin piireissä käytetään symmetristä multivibraattoria, jossa ajoitusketju ei käytä kondensaattorin varausta, vaan itseinduktio-EMF:n esiintymistä kuristimissa. Tässä tapauksessa multivibraattoria kytkettäessä esiintyviä itseinduktiojännitepulsseja voidaan käyttää lisäämään jännitettä .

"Klassisen" kaksitransistorin multivibraattorin toimintaperiaate

Piiri voi olla toisessa kahdesta epävakaasta tilasta ja vaihtaa ajoittain yhdestä toiseen ja takaisin. Siirtymävaihe on hyvin lyhyt suhteessa tilojen kestoon johtuen syvästä positiivisesta palautteesta, joka kattaa kaksi vahvistusvaihetta.

Oletetaan, että tilassa 1 Q1 on kiinni, Q2 on auki ja kyllästynyt, kun taas C1 latautuu nopeasti Q2:n kautta R1:n ja Q2:n avoimen kantasiirtymän virralla lähes syöttöjännitteeseen, minkä jälkeen täyteen ladattuna C1:stä R1:een. , virta pysähtyy, jännite C1:ssä on (Q2:n kantavirta) R2 ja kollektorissa Q1 - syöttöjännitteeseen.

Tässä tapauksessa jännite Q2:n kollektorin yli on pieni (sama kuin jännitehäviö kylläisen transistorin yli).

C2, joka on ladattu aiemmin edellisessä tilassa 2 (napaisuus kaavion mukaan), purkautuu hitaasti auki Q2:n ja R3:n kautta. Tässä tapauksessa Q1:n kannan jännite on negatiivinen ja tällä jännitteellä se pidetään suljetussa tilassa. Q1:n lukittu tila säilyy, kunnes C2 latautuu R3:n kautta ja jännite Q1:n pohjassa saavuttaa avautumiskynnyksemme (noin +0,6 V). Samaan aikaan Q1 alkaa hieman avautua, sen kollektorin jännite laskee, mikä aiheuttaa Q2:n tukkeutumisen, Q2:n kollektorijännite alkaa nousta, mikä avaa Q1:tä vielä enemmän kondensaattorin C2 kautta. Tämän seurauksena piirissä kehittyy lumivyörymäinen regeneratiivinen prosessi, joka johtaa siihen, että Q1 menee avoimeen kyllästettyyn tilaan ja Q2 päinvastoin on täysin tukossa.

Lisäksi piirissä olevat värähtelyprosessit toistuvat ajoittain.

Transistorien kesto suljetussa tilassa määräytyy aikavakioiden Q2 - T 2 \u003d C1 R2, Q1 - T 1 \u003d C2 R3 mukaan.

R1:n ja R4:n arvot valitaan paljon pienemmiksi kuin R3 ja R2, joten kondensaattorien lataaminen R1:n ja R4:n kautta on nopeampaa kuin purkaminen R3:n ja R2:n kautta. Mitä pidempi kondensaattorien latausaika on, sitä positiivisempia pulssien eturintamat ovat. Mutta suhteet R3/R1 ja R2/R4 eivät saa olla suurempia kuin vastaavien transistorien vahvistukset, muuten transistorit eivät avaudu kokonaan.