Для генерирования прямоугольных импульсов с частотой свыше можно использовать схемы, работающие по тому же принципу, что и схема на рис. 18.32. Как показано на рис. 18.40, в качестве компаратора в таких схемах используют простейший дифференциальный усилитель.

Положительная обратная связь в схеме триггера Шмитта обеспечивается непосредственным соединением выхода усилителя с его -входом, т. е. сопротивление резистора в делителе напряжения выбирают равным нулю. Согласно формуле (18.16), в такой схеме должен был получиться бесконечно большой период колебаний, однако это не совсем так. При выводе этого уравнения предполагалось, что усилитель, используемый в качестве компаратора, имеет бесконечно большой коэффициент усиления, т.е. что процесс переключения схемы происходит при разности входных напряжений, равной нулю. В этом случае порог переключения схемы будет равен выходному напряжению, и напряжение на конденсаторе С достигнет этой величины только за очень большое время.

Рис. 18.40 Мультивибратор на базе дифференциального усилителя.

Схема дифференциального усилителя, на базе которой выполнен генератор на рис. 18.40, имеет довольно низкий коэффициент усиления. По этой причине схема переключится еще до того, как разность входных сигналов усилителя станет равной нулю. Если, например, такую схему реализовать, как показано на рис. 18.41, на базе линейного усилителя, изготовленного по ЭСЛ-технологии (например, на базе интегральной микросхемы то разность входных сигналов, при которой происходит переключение схемы, составит около При амплитуде выходного напряжения около типичной для схем, выполненных на базе ЭСЛ-технологии, период импульсов генерируемого сигнала равен

Рассмотренная схема позволяет генерировать импульсное напряжение с частотой до

Аналогичный генератор может быть также выполнен на основе ТТЛ-схем. Для этих целей подходит готовая микросхема-триггер Шмитта (например, 7414 или 74132), так как она уже имеет внутреннюю положительную обратную связь. Соответствующее включение такой микросхемы показано на рис. 18.42. Так как через резистор триггера Шмитта должен протекать входной ток ТТЛ-элемента, то его сопротивление не должно превышать 470 Ом. Это необходимо для уверенного переключения схемы на нижнем пороге срабатывания. Минимальная величина этого сопротивления определяется выходной нагрузочной способностью логического элемента и равняется около 100 Ом. Пороги срабатывания триггера Шмитта составляют 0,8 и 1,6 В. Для амплитуды выходного сигнала около 3 В, типичного для ИС ТТЛ-типа, частота импульсов генерируемого сигнала равна

Максимально достижимое значение частоты составляет около 10 МГц.

Наиболее высокие частоты генерации достигаются при использовании специальных схем мультивибраторов с эмиттерными связями (например, микросхемы или Принципиальная схема такого мультивибратора представлена на рис. 18.43. Кроме того, указанные интегральные микросхемы снабжены дополнительными оконечными каскадами, выполненными на базе ТТЛ- или ЭСЛ-схем.

Рассмотрим принцип действия схемы. Допустим, что амплитуда переменных напряжений во всех точках схемы не превышает величины Когда транзистор закрыт, напряжение на его коллекторе практически равно напряжению питания. Напряжение на эмиттере транзистора составляет Ток эмиттера

Рис. 18.41. Мультивибратор на основе линейного усилителя, выполненного по ЭСЛ-технологии.

Рис. 18.42. Мультивибратор на основе триггера Шмитта, выполненного по ТТЛ-технологии. Частота

Рис. 18.43. Мультивибратор с эмиттерными связями.

транзистора равен Чтобы при этом на резисторе выделялся сигнал желаемой амплитуды, его сопротивление должно составлять Тогда в рассматриваемом состоянии схемы напряжение на эмиттере транзистора будет равно . В течение времени, когда транзистор закрыт, ток левого по схеме источника течет через конденсатор С. в результате чего напряжение на эмиттере транзистора снижается со скоростью

Транзистор Т открывается, когда напряжение на его эмиттере снижается до значения При этом напряжение на базе транзистора снижается на 0,5 В и транзистор закрывается, а напряжение на его коллекторе возрастает до величины За счет наличия эмиттерного повторителя на транзисторе с ростом напряжения на коллекторе транзистора увеличивается также и напряжение базы транзистора . Вследствие этого напряжение на эмиттере транзистора скачком увеличивается до значения Этот скачок напряжения через конденсатор С передается на эмиттер транзистора так что напряжение в этой точке скачком увеличивается от до

В течение времени, когда транзистор закрыт, ток протекающий через конденсатор С, вызывает снижение напряжения на эмиттере транзистора со скоростью

Транзистор остается закрытым до тех пор, пока потенциал его эмиттера не снизится от значения до значения Для транзистора это время составляет

ВВЕДЕНИЕ

Электронная вычислительная техника - сравнительно молодое научно-техническое направление, но она оказывает самое революционизирующее воздействие на все области науки и техники, на все стороны жизни общества. Характерно постоянное развитие элементной базы ЭВМ. Элементная база развивается очень быстро; появляются новые типы логических схем, модифицируются существующие. Существует множество различных электронных устройств: логические элементы, регистры, сумматоры, дешифраторы, мультиплексоры, счетчики, делители частоты, триггеры, генераторы и др.

Генераторы преобразуют энергию источника питания в энергию периодических или квазипериодических электрических колебаний. Основное назначение генераторов в электронике - это формирование импульсов начальной установки и синхронизации, управляющих сигналов различной формы и длительности.

Все многообразие генераторов можно подразделить на следующие типы:

Генераторы прямоугольных импульсов;

Генераторы линейно-изменяющегося напряжения (ЛИН);

Генераторы ступенчато-изменяющегося напряжения;

Генераторы синусоидальных колебаний

Типичные формы прямоугольных колебаний показаны на рис.1

Генераторы прямоугольных импульсов, имеющие в петле обратной связи элементы, накапливающие энергию, называются мультивибраторами.

Мультивибраторы подразделяются на две группы:

Автоколебательные мультивибраторы;

Ждущие мультивибраторы или одновибраторы.

Основное различие между этими мультивибраторами заключается в том, что автоколебательные мультивибраторы формируют импульсную последовательность при подаче напряжения питания на схему, так как они имеют две цепи обратной связи с накопителями энергии, а ждущие мультивибраторы формируют одиночный импульс с заданными параметрами по внешнему запуску, так как одна петля обратной связи не имеет накопителя энергии. Одновибратор - что-то среднее между мультивибратором и триггером .

Различают мягкий и жесткий режимы возбуждения мультивибраторов. При мягком режиме любые изменения напряжения в цепи обратной связи в момент включения питания приводят к возникновению режима генераций; при жестком режиме генерация возникает, когда напряжение в цепи обратной связи достигает определенного порога.

Мультивибраторы подразделяются на перезапускаемые и неперезапускаемые. В первом случае при подаче импульса запуска генерация выходных сигналов начинается заново с исходного состояния. Перезапуски позволяют неограниченно увеличивать длительность выходного импульса независимо от параметров схемы мультивибратора. Неперезапускаемые мультивибраторы не реагируют на внешние импульсы запуска

Описание схемы мультивибратора на полевых транзисторах

Высокое входное сопротивление полевых транзисторов (ПТ) позволяет конструировать мультивибраторы на очень низкие частоты повторения импульсов при малых ёмкостях времязадающих конденсаторов. Благодаря этому форма выходных импульсов оказывается менее искажённой, а скважность больше, чем у мультивибраторов на биполярных транзисторах.

Для автоколебательных мультивибраторов наиболее подходят ПТ с управляющим p-n переходом, так как во время заряда конденсаторов напряжение на участке затвор-исток приложено в прямом направлении и поэтому сопротивление этого участка мало и малым становится время заряда конденсаторов.

Схема мультивибраторов из ПТ с управляющим p-n переходом и каналом p-типа изображена на рис.2. В этом мультивибраторе через резисторы подаётся небольшое отрицательное напряжение на затвор относительно истока, что повышает стабильность периода колебаний и длительность выходных импульсов В отличие от мультивибратора на БП транзисторах работа устройства не нарушается, если резисторы включить между затвором и общей точкой (схема с «нулевым» затвором).

Временные диаграммы работы несимметричного мультивибратора показаны рис.3. В основных чертах принцип действия этого мультивибратора такой же, как и у лампового. От мультивибратора на БТ его отличает то, что во временно устойчивых состояниях равновесия разряд конденсаторов происходит практически только через резисторы и не до нулевого напряжения, а до значения, при котором напряжение на затворе становится равным напряжению отсечки (обычно 1-6 В)

Мультивибратор на транзисторах – это генератор прямоугольных сигналов. Ниже на фото одна из осциллограмм симметричного мультивибратора.

Симметричный мультивибратор генерирует прямоугольные импульсы со скважностью два. Подробнее про скважность можно прочитать в статье генератор частоты . Принцип действия симметричного мультивибратора мы будем использовать для поочередного включения светодиодов.

Схема состоит из:

– двух КТ315Б (можно с любой другой буквой)

– двух конденсаторов емкостью по 10 микроФарад

– четырех , два по 300 Ом и два по 27 КилоОм

– двух китайских светодиодов на 3 Вольта

Вот так устройство выглядит на макетной плате :

А вот так он работает:

Для изменения длительности моргания светодиодов можно поменять значения конденсаторов С1 и С2, или резисторов R2 и R3.

Существуют также другие разновидности мультивибраторов. Подробнее о них можно прочитать . Также там описан принцип работы симметричного мультивибратора.

Кому лень собирать такое устройство, можно приобрести готовое;-) На Алике я даже находил готовое устройство. Его можете глянуть по этой ссылке.

Вот видео, где подробно описывается, как работает мультивибратор:

Совершенство достигнуто не тогда, когда нечего добавить,
а тогда, когда нечего убрать.
Антуан де Сент–Экзюпери

Некоторые считают поверхностный монтаж трудно реализуемым в домашних условиях в силу малых размеров SMD элементов и… отсутствия отверстий под выводы деталей.
Отчасти так оно и есть, но при внимательном рассмотрении выясняется, что малые размеры элементов требуют просто аккуратности при монтаже, конечно при условии, что разговор идет о простых SMD компонентах, не требующих для установки специального оборудования. Отсутствие опорных точек, коими являются отверстия под выводы деталей, лишь создают иллюзию трудности выполнения рисунка печатной платы.

Нужна практика в создании простых конструкций на SMD элементах, чтобы приобрести навыки, уверенность в своих силах, убедиться в перспективности поверхностного монтажа для себя лично. Ведь процесс изготовления печатной платы упрощается (не нужно сверлить отверстия, формовать выводы деталей), а получаемый выигрыш в плотности монтажа заметен невооруженным глазом.

Основой наших конструкций является схема несимметричного мультивибратора на транзисторах различной структуры.

Соберем «мигалку» на светодиоде, которая будет служить талисманом, а также создадим задел для будущих конструкций, изготовив прототип популярной у радиолюбителей, но не совсем доступной микросхемы .

Несимметричный мультивибратор на транзисторах разной структуры

Рис. 1. Схема несимметричного мультивибратора

--
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»

Список источников

Автор книг «Юному радиолюбителю для прочтения с паяльником», «Секреты радиолюбительского мастерства», соавтор серии книг «Для прочтения с паяльником» в издательстве «СОЛОН-Пресс», имею публикации в журналах «Радио», «Приборы и техника эксперимента» и др.

Читательское голосование

Статью одобрили 66 читателей.

Генератор – это автоколебательная система, формирующая импульсы электрического тока, в которой транзистор играет роль коммутирующего элемента. Изначально, с момента изобретения, транзистор позиционировался как усилительный элемент. Презентация первого транзистора произошла в 1947 году. Презентация полевого транзистора произошла несколько позже – в 1953 г. В генераторах импульсов он играет роль переключателя и только в генераторах переменного тока он реализует свои усилительные свойства, одновременно участвуя в создании положительной обратной связи для поддержки колебательного процесса.

Наглядная иллюстрация деления частотного диапазона

Классификация

Транзисторные генераторы имеют несколько классификаций:

• по диапазону частот выходного сигнала;
• по типу выходного сигнала;
• по принципу действия.

Диапазон частот – величина субъективная, но для стандартизации принято такое деление частотного диапазона:

• от 30 Гц до 300 кГц – низкая частота (НЧ);
• от 300 кГц до 3 МГц – средняя частота (СЧ);
• от 3 МГц до 300 МГц – высокая частота (ВЧ);
• выше 300 МГц – сверхвысокая частота (СВЧ).

Таково деление частотного диапазона в области радиоволн. Существует звуковой диапазон частот (ЗЧ) – от 16 Гц до 22 кГц. Таким образом, желая подчеркнуть диапазон частот генератора, его называют, например ВЧ или НЧ генератором. Частоты звукового диапазона в свою очередь также подразделяются на ВЧ, СЧ и НЧ.

По типу выходного сигнала генераторы могут быть:

• синусоидальные – для генерации синусоидальных сигналов;
• функциональные – для автоколебания сигналов специальной формы. Частный случай – генератор прямоугольных импульсов ;
• генераторы шума – генераторы широкого спектра частот, у которых в заданном диапазоне частот спектр сигнала равномерный от нижнего до верхнего участка частотной характеристики.

По принципу действия генераторов:

• RC-генераторы;
• LC-генераторы;
• Блокинг-генераторы – формирователь коротких импульсов.

Ввиду принципиальных ограничений обычно RC-генераторы используются в НЧ и звуковом диапазоне, а LC-генераторы в ВЧ диапазоне частот.

Схемотехника генераторов

RC и LC генераторы синусоидальные

Наиболее просто реализуется генератор на транзисторе в схеме емкостной трехточки – генератор Колпитца (рис. ниже).

Схема генератора на транзисторе (генератор Колпитца)

В схеме Колпитца элементы (C1), (C2), (L) являются частотозадающими. Остальные элементы представляют собой стандартную обвязку транзистора для обеспечения необходимого режима работы по постоянному току. Такой же простой схемотехникой обладает генератор, собранный по схеме индуктивной трехточки – генератор Хартли (рис. ниже).

Схема трехточечного генератора с индуктивной связью (генератор Хартли)

В этой схеме частота генератора определяется параллельным контуром, в который входят элементы (C), (La), (Lb). Конденсатор (С) необходим для образования положительной обратной связи по переменному току.

Практическая реализация такого генератора более затруднительна, поскольку требует наличия индуктивности с отводом.

И тот и другой генераторы автоколебания находят преимущественно применение в СЧ и ВЧ диапазонах в качестве генераторов несущих частот, в частотозадающих цепях гетеродинов и так далее. Регенераторы радиоприемников также основаны на генераторах колебаний. Указанное применение требует высокой стабильности частоты, поэтому практически всегда схема дополняется кварцевым резонатором колебаний.

Задающий генератор тока на основе кварцевого резонатора имеет автоколебания с очень высокой точностью установки значения частоты ВЧ генератора. Миллиардные доли процента далеко не предел. Регенераторы радиостанций используют только кварцевую стабилизацию частоты.

Работа генераторов в области низкочастотного тока и звуковой частоты связана с трудностями реализации высоких значений индуктивности. Если быть точнее, то в габаритах необходимой катушки индуктивности.

Схема генератора Пирса является модификацией схемы Колпитца, реализованной без применения индуктивности (рис. ниже).

Схема генератора Пирса без применения индуктивности

В схеме Пирса индуктивность заменена кварцевым резонатором, что позволило избавиться от трудоемкой и громоздкой катушки индуктивности и, в то же время, ограничило верхний диапазон колебаний.

Конденсатор (С3) не пропускает постоянную составляющую базового смещения транзистора на кварцевый резонатор. Такой генератор может формировать колебания до 25 МГц, в том числе и звуковой частоты.

Работа всех вышеперечисленных генераторов основана на резонансных свойствах колебательной системы, составленной из емкости и индуктивности. Соответственно, частота колебаний определяется номиналами этих элементов.

RC генераторы тока используют принцип фазового сдвига в резистивно-емкостной цепи. Наиболее часто применяется схема с фазосдвигающей цепочкой (рис. ниже).

Схема RC генератора с фазосдвигающей цепочкой

Элементы (R1), (R2), (C1), (C2), (C3) выполняют сдвиг фазы для получения положительной обратной связи, необходимой для возникновения автоколебаний. Генерация возникает на частотах, для которых фазовый сдвиг оптимален (180 гр). Фазосдвигающая цепь вносит сильное ослабление сигнала, поэтому такая схема имеет повышенные требования к коэффициенту усиления транзистора. Менее требовательна к параметрам транзистора схема с мостом Вина (рис. ниже).

Схема RC генератора с мостом Вина

Двойной Т-образный мост Вина состоит из элементов (C1), (C2), (R3) и (R1), (R2), (C3) и представляет собой узкополосный заграждающий фильтр, настроенный на частоту генерации. Для всех остальных частот транзистор охвачен глубокой отрицательной связью.

Функциональные генераторы тока

Функциональные генераторы предназначены для формирования последовательности импульсов определенной формы (форму описывает некая функция – отсюда и название). Наиболее часто встречаются генераторы прямоугольных (если отношение длительности импульса к периоду колебаний составляет ½, то такая последовательность называется «меандр»), треугольных и пилообразных импульсов. Самый простой генератор прямоугольных импульсов – мультивибратор, подается как первая схема начинающих радиолюбителей для сборки своими руками (рис. ниже).

Схема мультивибратора – генератора прямоугольных импульсов

Особенностью мультивибратора является то, что в нем можно использовать практически любые транзисторы. Длительность импульсов и пауз между ними определяется номиналами конденсаторов и резисторов в базовых цепях транзисторов (Rb1), Cb1) и (Rb2), (Cb2).

Частота автоколебания тока может изменяться от единиц герц до десятков килогерц. ВЧ автоколебания на мультивибраторе реализовать невозможно.

Генераторы треугольных (пилообразных) импульсов, как правило, строятся на основе генераторов прямоугольных импульсов (задающий генератор) путем добавления корректирующей цепочки (рис. ниже).

Схема генератора треугольных импульсов

Форма импульсов, близкая к треугольной, определяется напряжением заряда-разряда на обкладках конденсатора С.

Блокинг-генератор

Предназначение блокинг-генераторов состоит в формировании мощных импульсов тока, имеющих крутые фронты и малую скважность. Длительность пауз между импульсами намного больше длительности самих импульсов. Блокинг-генераторы находят применение в формирователях импульсов, сравнивающих устройствах, но основная область применения – задающий генератор строчной развертки в устройствах отображения информации на основе электронно-лучевых трубок. Также блокинг-генераторы с успехом применяются в устройствах преобразования электроэнергии.

Генераторы на полевых транзисторах

Особенностью полевых транзисторов является очень высокое входное сопротивление, порядок которого соизмерим с сопротивлением электронных ламп. Перечисленные выше схемотехнические решения универсальны, просто они адаптированы под использование различных типов активных элементов. Генераторы Колпитца, Хартли и другие, выполненные на полевом транзисторе, отличаются только номиналами элементов.

Частотозадающие цепи имеют те же соотношения. Для генерирования ВЧ колебаний несколько предпочтительнее простой генератор, выполненный на полевом транзисторе по схеме индуктивной трехточки. Дело в том, что полевой транзистор, имея высокое входное сопротивление, практически не оказывает шунтирующее действие на индуктивность, а, следовательно, работать высокочастотный генератор будет стабильнее.

Генераторы шума

Особенностью генераторов шума является равномерность частотной характеристики в определенном диапазоне, то есть амплитуда колебаний всех частот, входящих в заданный диапазон, является одинаковой. Генераторы шума находят применение в измерительной аппаратуре для оценки частотных характеристик проверяемого тракта. Генераторы шума звукового диапазона часто дополняются корректором частотной характеристики с целью адаптации под субъективную громкость для человеческого слуха. Такой шум называется «серым».

Видео

До сих пор существует несколько областей, в которых применение транзисторов затруднено. Это мощные генераторы СВЧ диапазона в радиолокации, и там, где требуется получение особо мощных импульсов высокой частоты. Пока еще не разработаны мощные транзисторы СВЧ диапазона. Во всех других областях подавляющее большинство генераторов выполняется исключительно на транзисторах. Причин этому несколько. Во-первых, габариты. Во-вторых, потребляемая мощность. В-третьих, надежность. Вдобавок ко всему, транзисторы из-за особенностей своей структуры очень просто поддаются миниатюризации.