Изучение принципа работы мультивибратора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пояснительная записка

По Электронике и микропроцессорной технике ФИРЭ.ИИТ.ЭИМПТ.ПЗ

ЖДУЩИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР

Москва 2007 г

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТРУКТУРНАЯ

2. СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ

3. СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ

4. ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

5. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

6. ПОГРЕШНОСТЬ ВЫХОДНОГО ИМПУЛЬСА

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Электронная аппаратура - это совокупность радиокомпонентов, несущих конструкций и монтажных соединений, объединенных в общую конструкцию или комплекс. Компоненты по своему назначению подразделяются на пассивные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, переключатели э реле) и активные (транзисторы и диоды).

В импульсной технике широко применяются генераторы прямоугольных импульсов, которые относятся к классу релаксационных генераторов. Колебания, в которых медленные изменения чередуются со скачкообразными, называют релаксационными. Такими колебаниями являются, в частности, прямоугольные и пилообразные импульсы.

В генераторе гармонических колебаний LC-типа происходит непрерывный обмен энергией между конденсатором и катушкой контура и за период расходуется обычно небольшая часть энергии, полученной от источника, а в релаксационном генераторе в течение одной части периода энергия запасается в реактивном элементе только одного типа, обычно в конденсаторе, а в другую часть периода выделяется в виде теплоты в резисторах схемы.

Релаксационные генераторы могут работать в автоколебательном и ждущем режимах, а также в режиме синхронизации и деления частоты.

Генератор в автоколебательном режиме генерирует колебания непрерывно. В ждущем режиме генератор “ждет” поступления запускающего сигнала, с приходом которого выдает один импульс.

К релаксационным генераторам, вырабатывающим электрические колебания, близкие по форме к прямоугольным, относятся мультивибраторы и блокинг-генераторы.

Мультивибраторы выпускают в виде монолитных интегральных микросхем, выполняют на операционных усилителях, цифровых интегральных схемах, а также на дискретных компонентах; в последнем случае их активными элементами обычно являются транзисторы.

1. СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТРУКТУРНАЯ

Разработаем электрическую структурную схему исходя из условий задачи.

Рис.1. Схема Э1.

Структурная схема определяет основные крупные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи. Структурные схемы служат основанием для разработки других, в первую очередь функциональных схем; их также используют при эксплуатации для общего ознакомления с изделием.

Времязадающая цепь необходима для формирования импульсов строго заданной длительности. Соберем ее на включенных последовательно конденсаторе и активном сопротивлении. Параллельно конденсатору подключим диод для обеспечения “ждущего” режима.

Компаратор служит для определения момента равенства двух напряжений. Здесь входное напряжение сравнивается с нулевым потенциалом. Операционный усилитель использован с обратной связью. Напряжение на выходе принимает два крайних значения ±Енас, где Енас - напряжение насыщения операционного усилителя.

Выпрямитель необходим чтоб ток поступающий с источника питания Uпит усиливал входной сигнал в транзисторе и не влиял на работу компаратора. Выпрямитель соберем на диоде.

2. СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ

На основе структурной схемы разработаем электрическую функциональную схему.

Рис.2. Схема Э2.

Функциональная схема разъясняет физические процессы, протекающие в отдельных функциональных частях изделия или в изделии в целом. Функциональные схемы выполняют до разработки принципиальных схем и служат основанием для их разработки. Функциональные схемы также используют для изучения принципа действия изделий, при их наладке. Регулировке, контроле и ремонте.

Функциональные схемы составляют или на все изделие в целом, или, как правило, отдельно для каждой функциональной части изделия; поэтому для изделия составляют несколько функциональных схем. В процессе проектирования функциональные схемы могут уточняться и корректироваться по результатам разработки принципиальных схем.

Цепь положительной обратной связи (ПОС) формирует напряжение положительной обратной связи. Ее соберем на активном сопротивлении.

Усилитель соберем на биполярном транзисторе включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель). В таком случае выходной сигнал на нагрузке будет повторять входной сигнал только усиленный по мощности и току. Параллельно транзистору подключим сопротивление для уменьшения входного сопротивления эмиттерного повторителя.

3. СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ

На основе электрической функциональной схемы разрабатываем схему электрическую принципиальную (см. приложение ФИРЭ.ИИТ.ЭИМПТ.600295.Э3).

Принципиальная схема определяет полный состав электрических элементов изделия и связей между ними и, как правило, дает детальное представление о принципах работы изделия. На принципиальной схеме изображают все электрические элементы, необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных электрических процессов, все электрических процессов, все электрические связи между ними и электрические элементы, которыми заканчиваются входные и выходные цепи.

Принципиальная схема служит основанием для разработки других конструкторских документов, в первую очередь схем соединений и электромонтажных чертежей. Ею также пользуются при изучении принципов работы изделия, при его изготовлении, наладке, контроле и ремонте.

Приложением к принципиальной схеме является перечень элементов, в котором перечислены все элементы участвующие в работе и отображенные в схеме. Также указаны их номинальные значения.

С приходом положительного запускающего импульса с амплитудой Uвх ,превышающей абсолютное значение отрицательного напряжение на неинвертирующем входе, напряжение на выходе начинает возрастать. С выходом транзисторов ИМС из насыщения это нарастание за счет положительной обратной связи протекает лавинообразно, так что спустя небольшое время Uвых оказывается равным Е+нас. После этого начинается зарядка конденсатора С1 через резистор R1. Когда напряжение на нем окажется чуть больше Uпос, происходит новое переключение схемы к уровню Uвых=Е-нас. После этого конденсатор разряжается и схема возвращается в исходное состояние, в котором пребывает до поступления запускающего импульса.

4. ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Усилитель соберем на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

В эмиттерном повторителе нагрузка сосредоточена в цепи эмиттера (рис. 3.).

Рис.3. Эмиттерный повторитель.

В каскаде действует 100%-ная отрицательная обратная связь. Разница между входным и выходным напряжениями равна напряжению на открытом эмиттерном переходе, т.е. весьма мала. Поэтому выходное напряжение по значению и фазе достаточно близко совпадает с входным напряжением, что и обусловило название каскада.

Рассчитаем начальный режим работы выходного транзисторного каскада. Каскад соберем на биполярном транзисторе n-p-n типа малой мощности КТ3130А9 имеющем следующие параметры (см. табл. 1.):

Таблица 1

Параметр	Обозначение	Значение
Максимально допустимый постоянный ток коллектора	Ik max, мА	100
Постоянное напряжение коллектор-эмиттер	Uкэ, В	40
Максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора	Рк max , мВт	100
Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером	h21э	100…250
Постоянный обратный ток коллектора	Iкбо, мкА	0,1
Граничащая частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером	fгр, МГц	150

Для каскада усиления обычно выбирают исходный режим, рекомендуемый в справочнике.

Принимаем допустимое изменение коллекторного тока в исходной рабочей точке ДIк = 0,001Iк:

ДIк = 0,001•100•10-3 = 0,1мА

Определяем изменение тока ДIко при изменении температуры от 20 до 50 єС:

Находим допустимый коэффициент нестабильности исходного режима:

Sн = ДIк /ДIко = 0,1•10-3/(0,7•10-6) ? 142.

Находим сопротивление делителя R4:

R4 ? RнSн = 0,4•103•142 = 56,8 кОм

Возьмем R4 = 56 кОм

Рассчитаем рабочий (динамический) режим эмиттерного повторителя, используя для анализа упрощенную физическую схему замещения (рис.4.).



Рис. 4. Физическая схема замещения.

Напряжение источника питания определяем, пользуясь выражением

Uп ? (1,1 - 1,2)Uвых,

Uп = 1,2•8 = 9,6 В

Возьмем напряжение источника питания равным Uп = 10 В

Входное сопротивление. Активную составляющую входного сопротивления каскада (без учета делителя R4) можно определить из схемы рис.2. По закону Кирхгофа, напряжение U, приложенное к точкам 1 и 2,

U = Iбrб + Iэ(rэ + Rн)

Iэ = Iб(в + 1) =>

U = Iбrб + Iб(в + 1)(rэ + Rн) =>

Rвх = U/Iб = rб + (в + 1)(rэ + Rн)

Пренебрегая rб и rэ по сравнению с Rн (это обычно всегда можно сделать), получим

Rвх ? Rнв.

в = h21э = 100 =>

Rвх = 0,4•100 = 40 кОм

Входное сопротивление каскада уменьшается за счет того, что со стороны входа параллельно транзистору включен резистор R4, сопротивление которого для надлежащей стабилизации режима не должно быть большим. С учетом делителя входное сопротивление каскада

R'вх = Rвх||R4 = RвхR4 /(Rвх + R4)

R'вх = 40•56/96 = 23 кОм

Коэффициент передачи по напряжению. Значение Uвых всегда меньше Uвх и не может быть даже равно ему, так как при этом напряжение

Uбэ = Uвх - Uвых обратилось бы в нуль и изменение коллекторного тока прекратилось.

Поэтому повторитель имеет смысл характеризовать не коэффициентом усиления, а коэффициентом передачи напряжения, понимая под этим

К = (Uвых/Uвх)<1, К = IэRн /(IбRвх).

Так как

Iэ = Iб + Iк = Iб + вIб = Iб(в + 1);

Rвх = rб + (Rн + rэ)(в +1),

То

Так как в>>1, то К ? Rн / (rэ + Rн).

rэ ? 10 Ом

К ? 400/(400 + 10) = 0,97

Uвх = Uвых /К = 8/0,97 = 8,25В

Коэффициент усиления по току. Его значение много больше единицы: биполярный транзистор коллектор импульс

Кi = Iвых /Iвх = Iэ /Iвх.

С учетом того, что сопротивление R4 включено параллельно входному сопротивлению Rвх транзистора, ток базы

Iб = Iвх R4 /(R4 + Rвх),

Откуда

Поэтому

Кi = (100 + 1)•56•/96 = 58

Iб = Iэ / (в + 1),

Iб = 20/100 = 0,2 мА

Iвх = 0,2•(56 + 40)/56 = 0,343 мА

Iд = Uвх/R4 = 8,25В/56кОм = 0,147мА

Если бы выполнялось неравенство R4 >> Rвх (практически весь ток Iвх проходил бы в цепь базы), то коэффициент усиления по току достигал бы максимального значения Кi = в + 1.

Коэффициент усиления по мощности. Его значение много больше единицы:

Кр = 0,97•58 = 56

Из приведенных выражений следует, что эмиттерный повторитель является усилителем тока и мощности. Последнее следует понимать в обычном смысле: мощность выходного сигнала превосходит мощность входного сигнала за счет энергии источника питания Uпит .

Выходное сопротивление. Выходное сопротивление Rвых дает представление о нагрузке, которую можно подключить к выходу каскада, не перегружая его. Выходное сопротивление - сопротивление со стороны выходных зажимов (3, 4 на рис. 2.) при отключенной нагрузке Rн и Uвх = 0

Из схемы следует, что Rвых составляется параллельно включенными Rн и частью схемы, содержащей rэ, rб и R4. Для определения влияния каждого из трех последних сопротивлений отключим резистор Rн и мысленно присоединим к зажимам 3, 4 генератор с напряжением U. Тогда, по закону Кирхгофа,

U = Iэrэ + Iб(rб + R4).

Имея в виду, что Iб = Iэ /(в + 1), получаем

U = Iэ [rэ + (rб + R4)/(в + 1)].

Отсюда значение второй составляющей Rвых

U/Iэ = rэ + (rб + R4)/(в + 1).

Таким образом, выходное сопротивление эмиттерного повторителя

Rвых = Rн || [rэ + (rб + R4)/(в +1)].

Обычно вторая составляющая Rвых значительно меньше первой и R4>>rб, так что

Rвых ? rэ + R4 /(в +1).

Rвых = 56/101 = 0,55кОм

Обычно R4 не превышает нескольких килом. Малое выходное сопротивление эмиттерного повторителя позволяет использовать его при работе на низкоомную нагрузку, а сочетание большого входного и малого выходного сопротивлений дает возможность применять повторитель как согласующий каскад.

5. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Свое название операционный усилитель (ОУ) получил вследствие того, что он может использоваться для выполнения различных математических операций над сигналами. В настоящее время операционным называется усилитель с большим коэффициентом усиления, который охватывают цепью обратной связи, определяющей основные качественные показатели и характер выполняемых усилителем операций.

Рис.5. УГО ИМС ОУ.

ИМС ОУ имеет два входных вывода: инвертирующий, обозначенный на рисунке кружком, и неинвертирующий. Сигнал на выходе ОУ инвертирован по отношению к сигналу, поданному на инвертирующий вход, и не инвертирован по отношению к сигналу, поданному на неинвертирующий вход.

Параметры операционного усилителя.

Коэффициент усиления постоянного напряжения К - отношение выходного напряжения ИМС к дифференциальному входному напряжению, т.е. к разности потенциалов между входными выводами.

Входное сопротивление для дифференциального сигнала Rвх дииф - сопротивление между входами ИМС. Значение Rвх дииф лежит в широких пределах от килом до сотен мегаом. Входное сопротивление синфазному сигналу Rвх сф - сопротивление между одним из входов и “землей” при разомкнутом втором входе. Значение Rвх сф обычно превышает 100 Мом.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала Кос.сф - отношение коэффициента усиления К дифференциального сигнала к коэффициенту усиления Ксф синфазного сигнала. Обычно значения Кос.сф = 60ч80 дБ.

Входное напряжение смещения нуля Uсм - дифференциальное напряжение, которое нужно приложить между входами ИМС, чтобы ее выходное напряжение в отсутствие входных сигналов стало равным нулю. Необходимость Uсм обусловлена в основном разными напряжениями на эмиттерно-базовых переходах входных транзисторов. Значение Uсм зависит от температуры и напряжения питания.

Выходное сопротивление Rвых определяется выходным каскадом и обычно составляет 100 - 500 Ом.

Скорость нарастания выходного напряжения х = ДUвых /Дt измеряется при подаче ступенчатого напряжения на вход ИМС ОУ и коротком замыкании выхода на инвертирующий вход.

Выбираем операционный усилитель К544УД2: Uип(±8 … ±16)В,

Iвых m = 5мА, хUвых = 50 В/мкс, Rвх = 10 Мом, Кос.сф = 96 дБ.

Времязадающая цепь.

г << 1 = 0,2; г = R3 / (R2 + R3);

R3 = 20кОм, R2 = R3(1 - г)/ г = 20•0,8/0,2 = 80 кОм

IR1 = Iвых m. - Iпос - Iн, где

IR1 - ток времязадающей цепи,

Iпос - ток положительной обратной связи,

Iпос = Uвых.о.у../(R2 + R3) = 8,25/100 = 0,083 мА

Iн - ток поступающий в эмиттерный повторитель, Iн = 0,343 мА

Iвых m. - максимальный ток выхода операционного усилителя согласно справочным данным, Iвых m. = 5 мА

IR1 = 5 - 0,083 - 0,343 = 4,5 мА

Рассчитаем минимальное сопротивление резистора R1:

R1min = Uвых.о.у.•(г + 1)/IR1 = 8,25•1,2/4,5 = 2,2 кОм

Возьмем R1 = 2,5 кОм,

Рассчитаем емкость конденсатора С1:

где Uc(?) = Eнас = 8,25 В

Uc(0) = 0

Uпос = UR3 = Uвых•R3/(R2 + R3) = 8,25•20/100 = 1,65 В

tи = ф ln[8,25/(8,25 - 1,65)] = ф ln 1,25 = 0,2R1C1 =>

C1 = tи/0,2R1 = 5•10-3/0,2•2,5•103 = 10•10-6 Ф = 10 мкФ

Рассчитаем емкость конденсатора С2:

tи вх = Енас /х, где

х = 50 в/мкс - предельная скорость нарастания выходного напряжения используемого операционного усилителя.

tи вх = 8,25/50 = 0,165 мкс

C2 = 0,165•10-6•100/3•80•20 = 34•10-9Ф = 34 нФ

Диод - это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя внешними выводами, в котором используется о или иное свойство выпрямляющего перехода.

Iпр VD1 = Eнас/R1 = 8,25/3 = 2,75 мА < Iпр доп (из справочника)

Uобр VD1 = 8,25 В < Uобр доп (из справочника)

Iпр VD2 = Iвх эп = 0,343 мА < Iпр VD доп (из справочника)

Uобр VD2 = Енас = 8,25 В < Uобр доп (из справочника)

Возьмем диод Д2Д имеющий следующие параметры:

Таблица 2.

Параметры	Обозначение	Значение
Прямой ток	Iпр , А	0,016
Постоянный обратный ток	Iобр, А мкА	250
Постоянное обратное напряжение	Uобр, В	50
Постоянное прямое напряжение	Uпр, В	1
Рабочая температура	Т, єС	-60 … +70
Емкость собственная	Cд, пФ	0,2

Отобразим работу мультивибратора на графике (рис. 6.):

Рис. 6. Принцип работы мультивибратора.

6. ПОГРЕШНОСТЬ ВЫХОДНОГО ИМПУЛЬСА

Рассчитаем основную и дополнительную погрешность длительности выходного импульса.

Основная погрешность - это погрешность R и C элементов, находящихся в нормальных условиях эксплуатации. Она возникает из-за неидеальности собственных свойств элементов. Нормальные условия это условия при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей.

Т = tи + tп = 2tи = 0,4R1C1

д T = 0,4v д2R1 + д2C1, где

дR1 = 0,1 - класс точности резистора

дC1 = 0,2 - класс точности конденсатора

д T = 0,4•0,224 = 0,0896

Для конденсатора нормируют дополнительную погрешность на отклонение температуры окружающего воздуха от нормальной.

д T = 0,4v(ТКС•Дtє)2 + (ТКС•Дtє)2, где

ТКС = 10-5 - температурный коэффициент

Дtє - рабочий диапазон элемента R и C

д T = 0,4v(10-5•80)2 + (10-5•50)2 = 0,4•30•10-3 = 12•10-3 = 0,012

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Браммер Ю.А. Импульсные и цифровые устройства: Учеб. Для сред. проф.учеб.заведений - М.: Высш. шк., 2006. - 351 с.:ил.

2. Калашников В.И., Нефедов С.В., Путилин А.Б., Раннев Г.Г., Тарасенко А.П., Сурогина В.А. Информационно-измерительная техника и технологии - ФГУП.: Высш. шк., 2002.

3. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1981. -431 с., ил. Цыкина А.В. Проектирование транзисторных уилителей: Учеб. пособ. для техникумов, М., - 1968.

ПРИЛОЖЕНИЕ

№	Поз. обозначение	Наименование	Кол-во	Примечание
Резисторы ГОСТ 7113-77
1	R1	МЛТ-0,25 - 3 кОм	1	класс точности 0,1
2	R2	МЛТ-0,25 - 80 кОм	1	- // - // -
3	R3	МЛТ-0,25 - 20 кОм	1	- // - // -
4	R4	МЛТ-0,25 - 56 кОм	1	- // - // -
5	Rн	МЛТ-0,25 - 0,4 кОм	1	- // - // -
Конденсаторы ГОСТ 2.728-74
6	С1	КМ - 10 мкФ	1	Класс точности 0,2
7	С2	КМ - 34 нФ	1	- // - // -
Транзисторы ГОСТ 20003-74
8	VT	КТ3130А9	1
Диоды
9	VD1	Д2Д	1
10	VD2	Д2Д	1
Микросхемы
11	DA	К544УД2А	1

Размещено на Allbest.ru