Автоколебательные релаксаторы имеют четыре основные стадии работы-две медленные (или квазистабильные) и две быстрые (регенеративные Во время медленных стадий накопитель периодически накапливает энергию, л затем она рассеивается. Медленные стадии чередуются с быстрыми. На рис. 5.2, а показана типичная обобщенная схема простейщего релаксатора на безынерционном приборе с 5-образной ВАХ. Конденсатор С заряжается через резистор R до напряжения включения Um.-i негатрона. Ои быстро включается, и конденсатор разряжается через негатрон и разрядный резистор Pp. Когда напряжение на С падает до уровня С/,ыкл> негатрон быстро выключается и вновь начинается заряд С.

Рисунок 5.2, б поясняет движение изображающей точки в плоскости ВАХ негатрона и резистор Rp, а рис. 5.2, в иллюстрирует форму колебаний.

2 Наклон

Рис. 0.2. Обобщенная схема емкостного релаксатора на безынерционном приборе с S-образной ВАХ (а), траектория движения изображающей точки (б) и временные диаграммы работы (в)

Заряд С происходит по экспоненциальному закону

uc(t) =uc(0) --[uc(oo)-uc(0)]exp (-t/RC),

где Uc (0) = f/выкл, Uc{oo)=Ub и Uc (з) = С/вкл.

Следовательно, в установившемся режиме колебаний время заряда

t, = RCln

с(°°)- с(0)

выкл

(5.9)

Разряд С происходит через резистор Рр и сопротивление Ps вкл включенного негатрона. Обычно (Pp-fPs вкл) </?, и тогда разряд С происходит по закону uc(0 =Свкл ехр [-/C(Pp-fPs вкл)].

Время разряда до уровня Uc(p)

tp = C{Rp+RsnH) In (С/вкл/(/выкл). (5.10)

Релаксаторы типа рис. 5.2, а могут успешно использоваться для запуска ключей на мощных ПТ (подобные схемы описываются далее). Наибольший интерес представляют релаксаторы с возможно меньшей длительностью регенеративных процессов. Так, релаксаторы на лавинных транзисторах способны формировать импгльсы амплитудой единицы-десятки вольт (Рн = = Рр = 50...100 Ом) с временем нарастания менее 1 не.

Ждущие релаксаторы имеют одно из состояний (исходное) стабильное. Они формируют полный цикл колебаний после запуска специа.тьным импульсом, называемым запускающим импульсом. К примеру, исходное состояние релаксатора (рис. 5.2, а) можно получить стабильным, задав С/з из

условия С/выкл<(/п<С/вкл.

к широкораспространенны.м релаксаторам относятся мультивибраторы. Обычно мультивибраторы строятся на основе усилителей с РС-цепямп об-

ратной связи. Переходные процессы в них обусловливают переглю .ен:е активных приборов из закрытого состояния в открытое и нгоорг. С:-о переключение носит регенеративный характер. Удачно спроектированный мультивибратор генерирует импульсы с почти прямоугольной формой я малой длительностью нарастания и спада.

Что дает применение мощных ПТ в регенеративных устройствах? Очевидно, что применять дорогостоящие мощные ПТ в слтчных регенеративных схемах экономически невыгодно. Поэтому релаксаторы (мультивибраторы) микро- и миллнсекундного диапазона строить на мощных МДП-транзисторах нецелесообразно, хотя вполне возможно.

Иначе обстоит дело с наносекундным диапазоном. Схемы этого диапазона обычно работают на согласованную нагрузку (Рн = 50, 75, 100 нлн 150 Ом). Даже прн отсутствии согласования значения сопротивлений в цепн стока нужно уменьшить до десятков - сотен ом с целью снижения Тв. Пр* амплитуде импульсов единицы - десятки вольт требуется амплитуда токов стока доли -единицы ампер. В этом случае применение мощных ПТ становится вполне оправданным. Как будет видно нз описания практических схем, такое применение позволяет получить хорошую (близкую к прямоугольной) форму импульсов с временем нарастания и спада доли - единица наносекунд.

Процессы в мультивибраторах на мощных МДП-транзисторах отличны от процессов в ламповых и транзисторных мультивибраторах. Связано это с тем, что входное сопротивление (активное) у мощных МДП-транзисторов чрезвычайно велико при любой полярности напряжения на затворе. У ламп входное сопротивление резко падает при положительньх напряжениях на сетке из-за появления сеточных токов. Биполярные транзисторы имеют резко нелинейное и очень малое в открытом состоянии входное сопротивление; Это препятствует получению хорошей формы импульсов.

5.2. Автоколебательные мультивибраторы

Основная схема автоколебательного мультивибратора иа мощных МДП-транзисторах (рис. 5.3, а) по существу аналогична классической схеме лампового или транзисторного мультивибратора.

Рис. 5.3. Симметричный автоколебательный мультивибратор (а) и временные диаграммы его работы (б)

Для нормально открытых или слегка приоткрытых мощных МДП-транзисторов автоколебания возникают при С/з = 0. Рекомендуется, однако, выбирать {/з 1...3 В с тем, чтобы обеспечить мягкий режим возникновения автоколебаний (прн котором колебания возникают без внешнего воздейст-

ия). Форма импульсов на выходе классических мультивибраторов (на лампах, биполярных транзисторах и полевых транзисторах с управляющим р-п-переходом) резко отлична от прямоугольной из-за влияния на заряд ремяэадающих емкостей больших входных токов открытых активных приборов. Прн этом появляются характерные экспоненциальные участки медленного изменения выходного напряжения во время протекания медленных стадий.

Мощные МДП-транзнсторы, как отмечалось, имеют очень большое входное сопротивление прн любой полярности входного напряжения. Поэтому отмеченный недостаток у мультивибраторов на мощных МДП-транзисторах рактнческн отсутствует (см. типовую форму импульсов на рнс. 5.3,6).

Мультивибратор работает следующим образом. После включения напряжения питания оба транзистора оказываются включенными и существуют условия для возинкновения регенеративного процесса. Допустим, что он привел к быстрому отпнраиню VTI и запиранию VT2. Тогда иа стоке VT2 формируется перепад напряжения положительной полярности амплитудой около Un-UocT, поступающий через конденсатор С2 на затвор VTI и временно поддерживающий его в открытом состоянии. Отрицательный перепад напряжения со стока VTI поступает иа затвор VT2 и поддерживает его в закрытом состоянии. Одновременно с этим происходит заряд С2 по цепи Uc, Rc2, С2, Rn, U3 я разряд Cl по цепн +U3, R32, сток - нсток VTI. В результате напряжение иа затворе VTI уменьшается, а на VT2 возрастает. В конечном счете это ведет к росту дифференциального коэффициента усиления и (как только он станет большим 1) развивается регенеративный вроцесс схемы-VTI запирается, а VT2 отпирается. В силу симметрии схемы вторая медленная стадия (заряд С1 и разряд С2) протекает аиалогич-во. Длительности быстрых стадий (см. § 5.1) определяются импульсной добротностью Q каскада.

Проанализируем переходные процессы. В зависимости от выбора Ua возможны два режима генерации колебаний. Если Ув<Узкр, Узкр к=0,5(Упо + [/о), где Una - напряжение отпирания транзистора, соответствующее условию SRc = l (считаем Rc-Ra, Rc\ = Rc2=R н 731 = 32 = 73); Uo - пороговое напряжение, то первым запирается ранее открытый транзистор.

Прн этом полупернод колебаний (если Ci = C2 = C, П1 = <п2=п)

. = зС1п=%Ч (5.11)

по - 3

где [/ост - остаточное напряжение на открытом транзисторе. Если £/з> >Уз кр, то первым будет открыватьсн ранее закрытый транзистор и полупериод колебаний

Un + U - Uocr-U,

=/?зС1п- -- (5-12)

Длительность положительного фронта импульсов иа стоке определяется временем экспоненциального заряда общей выходной емкости закрытого транзистора

Соз-С, +Сз +Сз +Сз, (l+SRc) (5.13)

в равна

;ф+ 2,2/?сСоз. (5.14)

Длительность отрицательного фронта существенно меньше, она определяется скоростью протекания регенеративного процесса переключения. Для мультивибратора иа приборах 2П902, <ф-~12 не, ф+ 45 не. При 1=732= 100 кОм. Rci = Rc2=i кОм, Ci = C2=100 пФ, £з=0, период колебаний порядка 60 мкс.

Рассмотрим мультивибратор с повышенной стабильностью периода колебаний. Для уменьшения зависимости периода колебаний от напряжения пи-

тания Un целесообразно подавать смещение на затворы от делителя R\R2 (рис. 5.4) с коэффициентом деления

n = R2HRi + R2). (5.15)

Длительность полупериода колебаний tn определяется моментом времени, когда хронирующее напряжение на затворе закрытого транзистора, изменяясь от начального уровня из(0) = (2til/n-Уо) -(f/n-Уост) и стремясь к предельному из(оо) =т]Уп, достигает порога аз(/п) = {/о. Таким образом,

, пги. з(°°)- з(0) р ,и.О~г\) + и,-[/

Обозначим функцию под логарифмом как N{Uc). Для стабилизации tn при нзмеиенни Uc положим

dN (Уп) (nUn-Uo) (1 -r])lU (1 - л) + Уо-ост]

du - {ци -иоУ

что дает т) = т)о=£/о/Уост.

При т]=т]о из (5.16) после элементарных преобразований находим

tu=RaCln (Uoct/Uo-I). (5.17)

Данный метод применим, если f/oci>f/o.

На рнс. 5.5 приведены завнсимостн периода /о=2/п от Un прн раэлнч-

tff, МНС

70 SO SO W> JO

0 s to ts го 2so ,B

Рис. 5.4. Автоколебательный Рнс. 5.5. Зависимость периода

мультивибратор с повышенной колебаний U от Uu прн раз-стабильностью периода коле- личных ц баний

ных т] (равенство ti=0 соответствует схеме рнс. 5.3 прн £/з=0). Прн т) = 0 реализуется повышенная температурная стабильность частоты автоколебаний о=1 о- Изменение /о составляет около 3% при изменении температуры Т от -1-20 до -1-80° С. Прн стабилизации / (г\ФЩ температурная стабильность несколько ухудшается и при Я=По может достигать 10% в указанном диапазоне изменения Г. Таким образом, выбор т] требует компромисса.

5.3. Ждущие мультивибраторы

Осиовиая схема мультивибратора со сток-затвориымн связями приведена иа рнс. 5.6, а. Связь стока VT2 с затвором \Т гальваническая, а со стока КГ1 на затвор УГ2 -через времяэадаюшую 7?С-цепь, содержащую конденсатор С и резнсторный делитель RZR4. Работает мультивибратор следующим образом (рнс. 5.6,6). Ждущий режим обеспечивается отмеченной выше гальванической связью. На затвор VT2 подано (через делитель R3R4) напряжение смещения, поддерживающее V7 2 в открытом состоянии.

Поэтому напряжение на затвор VTI, равное малому напряжению на стоке VT2, ослабленному дополнительно делителем RIR2, также мало Для

гйвозА

1,2к

2пте

Запуск

КЗ 2,7х

Рис. 5.6. Ждущий мультивибратор со сток-затворнымя связями (а) и временные диаграммы его работы (б)

надежного запирания VT\ в цепь истока включен резистор Rж, падение напряжения на котором от тока включенного VT2 обеспечивает напряжение изтл <Uou Исходное состояние стабильно, поскольку при закрытом VTI петлевое усиление схемы меньше 1

При запуске импульс положительной полярности проходит через диод VDl на затвор VT\, вызывая его отпирание. Потенциал стока VTI уменьшается, и возникший на нем перепад напряжения отрицательной полярности поступает через конденсатор С на затвор VT2, что ведет к его запиранию. Этот процесс носит регенеративный характер. После него мультивибратор переходит в квазистабильное состояние. Спустя время (я напряжение на затворе VT2, стремящееся к уровню

UiUnRJiR.+Rt),

(5.18)

достигает порога отпирания VT2 и развивается новый регенеративный процесс (VTI запирается, а VT2 отпирается). Время восстановленпя определяется зарядом разрядившегося на стадии конденсатора С по цепи +Un, Rci. С и делитель R3R4.

Длительность быстрых стадий аналогична отмеченной для автоколебательного мультивибратора. Для U нетрудно получить выражение

где изи 2(0)=Ui-(Un-Uoc.i)XRo/{Rc+RB), изи At ) = {Ur:-Uoc.,)R,/ {Rc+Rb) и Rci-Rc2=Rc, R=R3Ril(Ri+RA) н Ui дается выражением (5.18).

Типовые параметры мультивибратора на мощных МДП-транзисторах КП905 при Со=10 пФ, Рс = 300 Ом, Ри = 51 Ом, Ra=2,7 кОм, 4=820 Ом, С[ = 15 пФ, С=30 пФ (VDI-диод КД503А) следующие: длительность фронта импульса на стоке открывающегося транзистора порядка 1 не, иа стоке закрывающегося транзистора около 8 не, и 25 не и в ЗС(Р-ьРс) 83 нс. Изменением емкости конденсатора С можно менять ta от нескольких наносекунд до любых больших значений. На рис. 5.7 представлены осциллограммы импульсов данного мультивибратора.

Вариант мультивибратора без резистора Ra в цепи истоков транзисторов показан на рис. 5.8. Здесь в исходном состоянии VTI открыт (нуж-

1-208

* \\зоо

тозА

Запуск

т нпт

Fa 31Ю

± С то Х -L

Рис. 5 8. Вариант схемы ждущего мультивибратора со связью через кремниевый стабилитрон

Рис. 5.7. Осциллограммы импульсов мультивибратора, приведенного на рис. 5 6, а

ный потенциал затвора задается делителем R\R2), а VT2 закрыт. Для запирания VrS в условиях довольно большого t/ocT Vri используется кремниевый стабилитрон VD\ и резистор, подключенный к источнику напряжения l/j>0. Запускающий импульс подается Запуск, на затвор VT2 через диод \D2 и отпирает УТ2. Отрицательный перепад напряжения -i/ocT поступает через конденсатор С на затвор \Т\ и запирает его. Затем напряжение на затворе WT\ растет, пока (спустя время U не достигнет порога отпирания f/oi транзистора VT\.

Напряжение на затворе УТ\ в момент его запирания U3m(0)=t/i- -(f/n-f/ocT а). Оно увеличивается до уровня Изи! ( ) = f/oi, при предельном уровне 3Hi(°°)=i = nP2/(Pi-f-P2)-Следовательно, длительность импульсов

1

Рис. 5.9. Осциллограммы импульсов мультивибратора, приведенного на рис. 5.8

=СЙ In

ЗИ1 (°°) - зи (0) ЗИ1 С )- зи (и)

причем R = RiR2HRi+Ri).

Время восстановления определяется зарядом С по цепи Uu, Rc2, С и делитель RIR2. Можно принять, что время восстановления tB~3C{Rc2+R). Параметры мультивибратора на рис. 5.8 примерно идентичны параметрам схемы рис. 5 6. Форма импульсов этого мультивибратора показана на рнс. 5.9.

5.4. Несимметричные триггеры

Основная схема несимметричного триггера (рис. 5.10) аналогична известной схеме триггера Шмитта на электронных лампах. Триггер можно использовать как регенеративное формирующее устройство иано- и субианосекундного (при GaAs ПТ) диапазонов, способное формировать импульсы боль-