Мультивибраторлар

Қуатты күшейткіштерді біртактылымен қатар екітактылы орындалуында жлбалап жасайды. Біртактылы каскадтар әдетте А классы режимінде  жұмыс істейді, ал екітактылы В жіне С режимінде.

Біртактылы  А классы режиміндегі қуат күшейткіші

Каскадтың принципиальды  электрлік схемасында транзистордың коллекторы шығыс трансформатордың біріншілік орамасы арқылы бірден ток көзіне қосылған. Сондықтан, кіріс сигнал жоқ болғанда статистикалық жүктемелік түзу тіпттен тіке жүреді,  себебі трансформатор орамасының тұрақты тоққа кедергісі тіптен аз, ал Е_к –ның мәнін, тогы жүргенде - резисторына түсетін кернеуден әлдейқайда үлкен қылып алады.

Кіріс сигналы берілген кезде, транзистордың коллектор  тізбегіндегі кедергісі, трансформатордың біріншілік орамасына келтірілген  күшейткіштің жүктемесінің кедергісімен анықталады. 

Қуат күшейткішінің  В классы режиміндегі екі тактылы  каскады.

Қуат күшейткіштерінің бір тактылы касадтарының біраз  айтарлықтай кемшіліктері бар, бұлар:

1. каскадтың кішкене пайдалы әсер коэффициенті;
2. күшейткіш аспап пен шығыс трансформатордың магнит өткізгішін магниттейтін, тұрақты токтар тудыратын салыстырмалы үлкен сызықтық емес бұрмалалары;
3. салыстырмалы үлен жиіліктік бұрмалаулары.

Сондықтан, көбіне В классы режиміндегі қуатты, әрі экономды екі тактылы күшейткіш каскадтар  қолданылады.

Оратлық жүктемее жұмыс  істейтін, схеманың екі бірдей симметриялы  иығын құрайтын екі элементен (транзистордан) тұратын каскадтарды екі тактылы деп атайды.

Егерде, кіру жағында  генратордан сигнал берілмесе, онда екі транзистор Т₁ және Т₂ екеуі де жабық, себебі олардың эмиттерлері – базалық өткелдерінде потенциалдар айырымы жоқ, өйткені эмиттерлерге бірден, ал базаларға Т_р1 трансформаторының екіншілік орамасының жартысы арқылы қоректену көзі Е_к-дан +U_k кернеуі беріліп тұр.

Екі тактылы трансформаторлы  В классындағы күшейткіктердің  ерекшеліктері:

1. Токтар айырмасында тұрақты құрамалар жоқ болғандықтан шығыс трансформатор салмағы жағынан жеңіл, аумағы жағынан кіші;
2. Токтар айырмасында жұп гармоникалық жоқ, сондықтан жиіліктік бұрмалау коэффициенті тек ұшінші гармоникмен бағаланады;
3. Схема симметриялы болғандықтан әртүрлі фондар, әсіретпелер, бөгеулер әлдеқайда аз болады.

Ал кемшіліктеріне:

1. Трансформатор иықтарын өте қатаң симметриялау керек;
2. Ортақ нүктеден шығу сымдары бар екі трансфоматор қажеттігі.

Жұмыс істеу принципі бойынша операциялық күшейткіш  қарапайым күшейткішке ұқсас  болып келеді. Қарапайым күшейткіш сияқты ол кіріс сигналының кернеу мен қуатын күшейту үшін қолданылады. Бірақ та, қарапайым күшейткіштің қасиеттері мен параметрлері толығымен оның сұлбасымен анықталса, операциялық күшейткіштің қасиеттері мен параметрлері көбінесе кері байланыс тізбегі праметрлерімен анықталады. Операциялық күшейткіштер нольдік орын ауыстуруын және шығыс кернеуін кіріс кернеудің нольдік мәнінідегі тұрақты ток күшейткіші сұлбасы бойынша жүзеге асырады. Сонымен қатар олар үлкен күшейту коэффициенттері, жоғары кіріс және төмен шығыс кедергілермен сипатталады. Ертерек мұндай жоғары сапалы күшейткіштер тек қана математикалық операцияларды : суммалау және интегралдау үшін аналогты есептеу құрылғыларда қолданылатын. Операциялық күшейткіш деп аталуы осыдан.  

Қазіргі кезде операциялық күшейткіш монолитті интегралды микросхемалар түрінде жасалады және өзінің өлшемдері мен бағасы бойынша бөлек алынған транзистордан ерекшеленбейді. Операциялық күшейткіштің идеалды сипаттамалар арқасында олардың негізінде әртүрлі сұлбалардың транзисторларға қарағанда жасалуы жеңілірек болады. Сондықтан операциялық күшейткіш бүкіл сызықты схемотехникаларда сұлбаның элементі ретіндегі бөлек транзисторларды ығыстырп шығарады.

Белгілі бір салада қолданылуы керек кезде, қандай операциялық күшейткіштің қажет екенін анықтау үшін оның негізгі сипаттамаларын білу жеткілікті. 

Операциялық күшейткіштің қасиеттері 4-суретте операциялық күшейткіштің сұлба түріндегі көрінісі берілді. Оның кіріс каскады дифференциалдық күшейткіш түрінде орындалады. Сондықтан операциялық күшейткіште екі кірісі болады. Төменгі жиілік облысында шығыс кернеуі U_a кіріс кернеулердің айырымы да сол фазасында орналасады:

U_D = U_P – U_{N .}             

 

 

Сурет-4. Операциялық күшейткіштің сұлбалық түрі

 

р – кіріс инвертирлемейтін деп аталады және операциялық күшейткіште «плюс» таңбасымен белгіленеді. N – кіріс инвертті және сұлбада «минус» таңбасымен белгіленеді.

Операциялық күшейткіштің теріс және кері кіріс сигналдарымен  жұмыс істеуін қамтамасыз ету  үшін екі полярлы қоректену кернеуін қолдану керек. Ол үшін 4 – суретте көрсетілгендей операциялық күшеткіштің сәйкесті сыртқы клеммаларына қосылатын екі тұрақты кернеуді орнату қажет. Көбінесе интегралды орнындауындағы стандартты операциялық күшейткіштер ±15В қоректену кернеуінде жұмыс істейді. Принципиалды сұлбалар құрылғыларда тек қана олардың кіріс және шығыс клеммаларын көрсетеді.

Іс жүзінде идеалды  операциялық күшейткіштер болмайды. Операциялық күшейткіштің қайсысы  болмасын идеалға жақын екенін анықтау  үшін күшейткіштің техникалық сипаттамалары беріледі.

Операциялық күшейткіштің дифференциалды күшейту коэффициенті

A_D =ΔU_a / ΔU_D= ΔU_a / Δ(U_P – U_N )=   ΔU_a / ΔU_P егер U_N =const   

               -ΔU_a / ΔU_N  егер U_P =const         (1.1)

 

10⁴ ÷ 10⁵ шектерінде жатқан соңғы өлшемі. Ол өзіндік күшейту коэффициенті деп те аталады, басқа сөзбен айтқанда кері байланыс жоқ кезіндегі күшеюі.

U_P –дан шығыс кернеу күшеюінің типтік тәуелділігі көрсетілген. U_амин < U_а < U_амакс диапазонында ол U_D-дан дерлік сызықты тәуелді. Осы шығыс кернеуінің диапазоны күшейту облысы деп аталады. Қанығу облысында U_а –ның сәйкесті өсуінен U_D-ның өсуі өзгермейді. Күшею облысының шектері U_амин және U_амакс    сәйкесті оң және кері кернеуінің қоректенуінен 3В-қа жуық кешігеді. Операциялық күшейткіштің ±15В жұмысы кезінде шығыс кернеуі бойынша типтік облыс диапазоны ±12В-ты құрайды.

Идеалды операциялық  күшейткіштің беріліс сипаттамасы  нольдік нүктеден өту керек. Бірақ  та көрсетілгендей, реалды операциялық  күшейткіштер үшін бұл сипаттама  кішкене жылжыған, ол штрих сызығымен көрсетіледі. Сонымен шығыс кернеуді нольге келтіру үшін операциялық күшейткіштің кірісіне кернеудің кейбір әртүрлілігін берк керек. Омы кернеудің әртүрлілігі нольдің жылжымалы кернеуі U_о деп аталады. Ол көбінесе бірнеше милливольт құрайды және көптеген жағдайда еакерілмейді. Кейде осы өлшеммен елемеуге болмаған кезде, оны нольге дейін апаруға болады. Сондықтан көптеген интегралды операциялық күшейткіштерде арнайы клеммалар қарастырылған.

Кіріс кернеудің әртүрлілік функциясы ретіндегі операциялық күшейткіштің кіріс кернеуі. Нольдік нүкте кернеуінің компенсациясыз түсірілген пунктирмен көрсетілген сипаттама. 

Нольдік жылжу кернеуін алып тастағаннан кейін тек қана оның уақытқа, температураға, кернеуге тәуелді өзгерістері қалады:

ΔU₀(J,t,U_b)=(∂U₀/∂J )ΔJ+(∂U₀/∂t )Δt+(∂U₀/∂U_b )ΔJU_{b .}

Осы фомулада келесі дрейфті  құрайтындар:

∂U₀/∂J - температуралық дрейф, 3-10 мкВ/К;

∂U₀/∂t – уақыттық дрейф, айда бірнеше микровольтқа дейін жете алады;

∂U₀/∂U_b – суммалық кернеу қоректенудің өзгерісімен көрсетілген дрейф.

Құраушы ∂U₀/∂U_b  номиналды мәнінен нольдік нүктенің жылжу өлшеміне қоректену кернеуінің ауытқу әсерімен сипатталады, әдетте 10 – 100мкВ/В құрайды. Сондықтан дрейдті құрастырушыны минимизациялау қажет болса, онда қоректену кернеуін бірнеше милливольтқа дейін нақты түрде қамтамасыз ету керек.

Келесіде нольдің жылжу  кернеуі нольге тең және компенсацияланған  деп есептеледі. Сонда (1.1) формуласы  келесі түрде болады:

U_a = A_D U_D   = A_D (U_P - U_N  )                                       

Солай тұра операциялық  күшейткіштің шығыс кернеуі, динамикалық  диапазоны шектерінде, кіріс кернеулердің әртүрлілігіне пропорционал болады.

Егер Р және N кірістеріне  бірдей кернеу U_Gl берілсе, онда U_в нольдік мәнін өзгертпейді.  (1.2)  формуласы бойынша шығыс кернеу  U_а сәйкесінше нольге тең болуы керек. Бірақ реалды дифференциалдық күшейткіштерге ол толық сәйкес келмейді, басқаша айтқанда синфазды сигналдың күшейту коэффициенті:

  А_Gl = ΔU_а /Δ U_Gl

нольге міндетті түрде  емес болуы мүмкін. Кіріс синфазалық сигналдың кейбір үлкен дерлік мәндерінде тез өседі. Қолданылған шығыс кернеудің диапазоны синфазалық сигналдың әлсіреу облысы деп аталады. Оның шектері қоректену кернеуінің оң және кері деңгейінен сәйкесінше 2В – қа кем. Операциялық күшейткіштің идеалды еместігі синфазалық сигналдың әлсіреу коэффициенті деп аталатын параметрімен сипатталады  G = А_D / А_Gl . Оның типтік мәндері 10⁴ ÷ 10⁵ құрайды. Дифференциалды сигналдың күшейту коэффициенті анықтама бойынша әрқашан да оң болады. Оны бірақ та синфазалық сигналдың күшейту коэффициенті А_Gl   туралы айтуға болмайды. Ол оң да, теріс те мәлдерін қабылдай алады.

Синфазалық сигналдың  күшейту коэффициенті түсінігін  қолданғанда, дифференциалдық сигналдың  күшейту коэффициентін дербес туынды арқылы дұрыс анықтау қажет:

 

              A_D   ‗   ∂U_a  

                    ∂U_D  U_Gl =const

 

Бола тұра шығыс кернеу үшін толық түрдегі формула пайда  болады:

 

      ΔU_a  ‗   ∂U_a           ΔU_D +    ∂U_a       ΔU_{Gl ,}                      (1.3)

        ∂U_D  U_Gl               ∂U_Gl U_D

                 немесе

 ΔU_a = A_D ΔU_D + A_Gl ΔU_Gl  ,

 

Осы қатынастардан синфазалық сигналдың әлсіреу коэффициентін  тиімді анықталуы шығады. ΔU_a =0 –да :

 G ‗    A_D   ‗  -  ΔU_Gl  

A_Gl        ΔU_D    U_a =const

Күшейткіштің шығысындағы синфазалық сигналдың күшеюін компенсациялау үшін күшейткіштің кірісіне дифференциалдық кіріс кернеудің ΔU_D қандай мәнін беру керек екендігін синфазалық сигналдың әлсіреу коэффициенті көрсетеді. 1.2 және 1.3 – формулада көрсетілген беріліс сипаттамалар жұмыс облысында дерлік сызықты, сонда (1.3) формуласындағы жылжымалы кернеуін былай жазуға болады: 

U_a = A_D (U_D – U_О) + A_GlU_Gl ,

Синфазалық кіріс сигналдың  функциясы ретіндегі операциялық  күшейткіштің шығыс кренуі.

 

немесе   U_a = A_D [(U_D – U_О) + 1/2 U_Gl ]                              (1.4)

мұндағы U₀ → 0 және U_Gl → 0 қатынасы (1.1) формуласының түрін алады. U_D – ға қатысты теңдеудің шешімі: U_D = U₀ + (U_a /A_D) – (U_Gl/G )           (1.5) .

   Идеалды операциялық күшейткіш үшін U₀ = 0, A_D → ∞ және G → ∞. Ол теорияда шығыс кернеудің U_a соңғы әр мәнін алу үшін U_D шектеусіз кіші кернеуін қою керек.  

Универсалды қолдануға  арналған операциялық күшейткіштің тұрақтылығы жағынан бірінші  ретті төменгі фильтр сияқты жиілікті сипаттамасы болу керек. Сонымен қатар бұл талап жиілікке кем дегенде |AD|=1 дейін орындалуы қажет. Осы талаптарды орындау үшін операциялық күшейткіштің сұлбасында жиіліктің өте төмен кесуі бар төменгі жиілікті фильтр болуы қажет.

Операциялық күшейткіштегі  симметриялық мультивибратордың схемасы     4- суретте көрсетілген. Бұл мультивибратордың автотербелмелі жұмыс режимі операциялық күшейткіштің инвертирлік кірісіне конденсатор С мен резистор R-ден тұратын уақыт тағайындағыш тізбекті қосу арқылы жасалады.

Сурет -5

 

t₁- уақыт сәтіне дейін операциялық күшейткіштің кірістеріндегі кернеу U₀ >0 деп алайық. Бұл операциялық күшейткіштің шығысында U _{шығ =}-U^- _шығmax ,ал инвертирламайтын кірісінде   U_{+ =} -χ U^- _шығmax кернеулері болуын анықтайды, мұнда χ = R1/(R1+R2) – оң кері байланыс тізбегінің беру коэффициенті

/1.12-сурет/ . Сұлбаның шығысында  - U^- _шығmax  кернеуінің болуы, R – резисторы арқылы С конденсаторы зарядтау процесіне себепші болады. Конденсатор астарларындағы кернеу полярлығы жақшасыз көрсетілген /1.12б,-сурет /. t₁  - уақыт сәтінде опрециялық күшейткіштің инвертирлайтын кірісінде экспанета бойынша өэгеретін кернеу инвертирламайтын кірістегі кернеу шамасына жетеді. /1.12в,-сурет /. U₀  - кернеуі нолбге тең болады, бұл жағдайда операциялық күшейткіштің шығысындағы кернеудің полярлығы өзгертеді: U _{шығ =}-U⁺ _шығmax  . U⁺ - кернеуі белгісін өзгертіп χ U⁺ _шығmax  - ке тең болады, сонда U₀ <0 болып өзгере бастайды. t₁ уақыт сәтінен бастап конденсатордың -χ U^- _шығmax деңгейінен қайта зарядталуы басталады. Конденсатор R резисторы U⁺ _шығmax деңгейіне қайта зарядталуға ұмтылады. Осы жолғы конденсатордың астарларындағы кернеу полярлығы жақшаның ішінде көрсетілген. t₂ – уақыт сәтінде конденсатордағы кернеу χ U⁺ _шығmax мәніне жетеді де, U₀ кернеуі тағы нольге тең болып /себебі U₀= U₊ - U_- /, бұл операциялық күшейткіштің қарама– қарсы күйге ауысып қосылуына әкеледі. Әрі қарай сұлбадағы процесиер жоғарыда айтылғандай қайталанады. Осы симметриялы мультивибратордың импульсының ұзақтығы t_u=τln(1+2R1/R2), (17) егер  U⁺ _шығmax = U^- _шығmax деп есептесек, мұнда τ=CR.