Релаксационные генераторы. Общие сведения о релаксационных генераторах. Симметричный транзисторный мультивибратор. Автоколебательный мультивибратор с одним конденсатором. Заторможенные (ждущие) мультивибраторы. Блокинг-генератор. Стабильность частоты релаксационных генераторов. Ограничители и фиксаторы уровня

5. Релаксационные генераторы

5.1. Общие сведения о релаксационных генераторах

Релаксационные генераторы представляют собой устройства, формирующие электрические импульсы, близкие по форме к прямоугольным, т.е. имеющие достаточно короткие фронты ( «разрывные колебания»).

Различают автоколебательные релаксаторы, генерирующие периодическую последовательность импульсов при включении напряжения питания, и ждущие, или заторможенные,  формирующие  одиночный импульс с требуемыми параметрами при подаче на схему запускающего импульса произвольной формы.

Процесс релаксации состоит в накоплении и расходе энергии  в реактивных элементах схемы (ёмкостях или индуктивностях), что приводит в определённые моменты времени к переключению состояния схемы (опрокидыванию). Процесс переключения осуществляется лавинообразно (регенеративно), что подобно переключению триггеров и предполагает действие в схеме положительной обратной связи.

Технические показатели релаксаторов определяют амплитуду, полярность и форму генерируемых импульсов и допустимую величину нагрузки. Для автоколебательных схем существенным параметром является частота автоколебаний и её стабильность в условиях эксплуатации.  Для ждущих релаксаторов задаются требования к параметрам запускающих импульсов.

Для используемой в практике невысокой  скважности формируемых импульсов спектр формируемого периодического колебания имеет выраженный  линейчатый характер, представляющий несколько синусоидальных гармоник. Поэтому автоколебательные релаксаторы называют мультивибраторами.  Этот термин используют и для ждущих релаксаторов  вследствие  использования аналогичных схемных решений.

5.2. Симметричный транзисторный мультивибратор

На рис.5.1 приведена основная схема симметричного транзисторного мультивибратора. Элементы симметричной схемы  имеют числовые индексы, что облегчает её описание, при этом их номиналы могут быть различными.

Функционирование мультивибратора состоит из этапов, когда транзисторы находятся в противоположных состояниях отсечки или насыщения и в схеме происходят релаксационные процессы, подготавливающие смену этих состояний,  и  регенеративного  этапа, когда транзисторы находятся в активном режиме и в схеме действует положительная обратная связь через конденсаторы , осуществляющая смену состояния транзисторов. Последний процесс тождествен с процессом переключения в схемах триггеров и здесь не рассматривается.

Предположим, что транзистор  в некоторый момент времени находится в состоянии насыщения. Основанием для такого предположения является наличие резистора , который при условии  обеспечивает насыщение .  В то же время транзистор  должен быть в отсечке, хотя к его базе также присоединён резистор . Закрытие транзистора  осуществляется за счёт напряжения на конденсаторе , который на предыдущем этапе, когда  был закрыт, а  насыщен, зарядился по цепи , БЭ1 до напряжения питания  (в отсутствие нагрузки ). На рассматриваемом этапе вследствие перехода  в насыщение  конденсатор  присоединён к базе транзистора  как источник напряжения запирающей полярности (эквивалентная схема рис.5.2 а), что оправдывает сделанное предположение о закрытом   

Процесс в цепочке , присоединённой к источнику питания , состоит в релаксации - перезаряде конденсатора от начального отрицательного значения к асимптотическому положительному значению  напряжения питания  . Временные диаграммы рис.5.2 б позволяют определить длительность рассматриваемого этапа, который закончится, когда напряжение   достигнет напряжения открытия транзистора . Поэтому цепочку рис.5.2. называют времязадающей.

Заметим, что начальное напряжение   конденсатора  зависит от возможной присоединённой нагрузки : 

С учётом нагрузки   используем диаграмму  рис.5.2 б для  вычисления длительности  рассмотренного этапа

                                      (5.1)

Таким образом, длительность этапа определяется параметрами времязадающей цепочки и несколько изменяется в зависимости от нагрузки и величины , изменяющейся с температурой. При незначительном влиянии этих факторов для (5.1) получаем практическое оценочное соотношение:

                          (5.2)

За время этапа , когда транзистор  был закрыт,  конденсатор  зарядился через резистор  и базу  насыщенного  до напряжения питания . Поскольку  приблизительно в  раз меньше, чем , заряд происходит за малую долю длительности этапа.

После открытия транзистора  уменьшающееся напряжение на его коллекторе через конденсатор  передаётся на базу , выводит его из насыщения,  и замыкается цепь положительной обратной связи, создающая  регенеративный процесс перехода схемы к следующему этапу, когда  оказывается насыщенным, а  - закрыт отрицательным напряжением на конденсаторе  в полном соответствии с рассмотренным рис.5.2,  поэтому длительность второго этапа определяется как   . Величина, обратная сумме длительности этапов, называется частотой повторения мультивибратора

                                                     (5.3)

и обычно составляет единицы или десятки килогерц. 

На диаграммах рис.5.3 показано, что установление напряжения на коллекторах закрывающихся транзисторов происходит со скоростью, определяемой постоянными времени заряда конденсаторов, что определяет длительность положительных фронтов

,                                                (5.4)

заметно превышающую время переключения схемы в регенеративном процессе (длительность отрицательных фронтов на рис.5.3).