互补管自激多谐振荡器

采用PNP和NPN两种不同导电类型的晶体管互相配合，可以组成多种脉冲单元电路，它与单一导电类型的晶体管构成的电路相比较，具有使用元件少、耗电省、脉冲波形好以及带负载能力强等优点。本文介绍互补管自激多谐振荡器的原理和应用举例。

大家知道，自激多谐振荡器是一种能够产生矩形波的脉冲电路。图1是典型的互补管自激多谐振荡器的电原理图，这个电路仍然是一个由两级集—基耦合的晶体管反相器构成的正反馈闭合环路，为了便于分析，我们把它改画成图2的形式。由图2可以看到，BG\(_{1}\)的集电极通过电容C1和电阻R\(_{b2}\)耦合到BG2的基极，而BG\(_{2}\)的集电极通过电容C2和电阻R\(_{b1}\)耦合回BG1的基极。由于集电极的输出信号与基极输入信号是反相的，但两管导电类型相反，故这两级交叉耦合的结果，使电路在任一瞬间具有下述两种可能的状态。要么是BG\(_{1}\)、BG2均饱和导通，要么是BG\(_{1}\)、BG2均截止，并且这两个状态都是不能持久的，它们遵循一定的规律而交替翻转着。

接通电源瞬间，两晶体管尚未导通，电源E\(_{c}\)对电容C1、C\(_{2}\)进行充电，电容两端的电压按指数规律上升，其极性如图2所标。电容C1、C\(_{2}\)上的电压分别加在两晶体管的基—射结，成为正向偏置，当这个电压上升到管子的导通阈电压（硅管约0.6V左右）时，BG1、BG\(_{2}\)开始导通，Ib1、I\(_{c1}\)、Ib2、I\(_{c2}\)上升，Ic1·R\(_{c1}\)的增大，使Vc1上升，通过电容C1的耦合，使V\(_{b2}\)进一步上升，而Ic2·R\(_{c2}\)的增大，使Vc2下降（V\(_{c2}\)=Ec－I\(_{c2}\)·R2），电路产生如下的正反馈连锁反应：

这一强烈正反馈过程进行得十分迅速，几乎在瞬时就使两管饱和。当BG\(_{1}\)、BG2饱和时，C通过R\(_{b}\)和rbe（r\(_{be}\)为晶体管输入电阻）放电，并维持两管饱和，这就是电路的第一个暂稳状态，其持续时间即脉冲宽度t1主要取决于BG\(_{1}\)、BG2 的饱和时间，可用下列公式计算：

式中V\(_{bes}\)是晶体管导通时的前向压降，硅管约为0.7V。随着放电电流的减小，基极电流也将减小。基极电流的减小，势必使BG2的集电极电压Vc\(_{2}\)升高，BG1的集电极电压V\(_{c1}\)降低。集电极电压的变化又将通过电容C的动态耦合，作用在两个管子的基极，形成如下正反馈连锁反应：

几乎在瞬时，使BG\(_{1}\)、BG2变为截止。于是电源E\(_{c}\)又通过R1、R\(_{2}\)对C2、C\(_{1}\)充电，充电电流在R1、R\(_{2}\) 上的电压降将维持BG1、BG\(_{2}\)截止，电路进入第二个暂稳状态，其持续时间即脉冲间歇时间t2可由下式算出：

两管截止的过程，到电容两端电压上升到管子的导通阈电压时即告结束。此后两管又迅速饱和导通……如此周而复始，在两管集电极上可以同时获得连续的短形脉冲。从BG\(_{2}\)集电极Vc2输出的脉冲波形如图3（b）所示。

管子参数和元件的选择，应保证使BG\(_{1}\)、BG2均能进入饱和区，即

由图3（b）可以看出，脉冲持续时间t\(_{1}\)远小于脉冲间歇时间t2，按图1给出的元件参数实测的结果t\(_{1}\)=10毫秒，t2=750毫秒，脉冲空度比\(\frac{t}{_{2}}\)t1=75。如果采用一般形式的多谐振荡器，是很难由这么小的定时电容来获得这么长的间歇时间，也很难获得这么大的脉冲空度比的。一般形式的多谐振荡器，在任一瞬间总是有一只管子导通、另一只管子截止的，而互补管多谐振荡器则在t\(_{1}\)期间内是两管均导通，t2期间内两管均截止，由于t\(_{2}\)》t1，所以晶体管截止时间远远大于导通时间，不仅减小了晶体管的平均功耗，允许管子输出更大的瞬时电流，也节省了电源的消耗。另一方面，这种电路可以利用比较小的电容产生非常低的振荡频率，可以在工业自动控制线路中应用。

上面介绍的典型的互补管多谐振荡器，可以从两管集电极同时得到相反极性的矩形脉冲，但在很多场合只需要输出一种脉冲波形，线路可以更为简化，图4就是一种简单的多谐振荡器，它只用了一个电容和三个电阻。为了直观起见，我们把它做成闪光灯，小电珠R\(_{L}\)也可以用一个固定电阻来代替。

我们从两管刚转入饱和导通的瞬间开始讨论。此时，电源E\(_{c}\)对电容C迅速充电，充电路径是Ec→BG\(_{1}\)发射结→Rb1→C→BG\(_{2}\)集射极→地，这个大的充电电流维持着两管的饱和，这就是电路的第一个暂稳态。但随着时间的推移电容C上逐渐积累了电荷，电容两端的电压（其极性见电容上方所示）逐渐增大，充电电流逐渐减小，这使BG1开始退出饱和而进入放大区，于是因正反馈作用发生了如下的连锁反应：

结果电路迅速地翻转到BG\(_{1}\)、BG2 均截止的状态，即第二个暂稳态。电容C上所充电压的极性使BG\(_{1}\)的发射结受到一个反向偏压而维持截止，从而BG2也因得不到基流而被迫截止。

随后，电容C通过R和R\(_{L}\)慢慢向电源放电，在它放完电（即C上无电荷）之后，又要受到电源对C的反向充电（电压极性见电容下方的括号内所记）。当这一反向充电电压达到BG1管的导通阈电压（对锗管约为0.2伏）时，BG\(_{1}\)又开始导电，在放大区发生如下的正反馈连锁反应：

这使电路迅速地翻转回BG\(_{1}\)、BG2均饱和导通的状态，即第一个暂稳态，以后过程即循此交替地重复进行，结果在BG\(_{2}\)的集电极上输出一列负向矩形脉冲，而接在BG2集电极上的灯泡则交替地闪亮与熄灭。当按照图4所示元件数值组成电路时，由实测可得t\(_{1}\)（灯亮）=0.2秒，t2（灯暗）=25秒。

在生产和科学实验中，除了要使用单闪式讯号灯外，往往还要用到双闪式讯号灯，以表示不同意义的讯号。图5即为双闪讯号灯的一种电路，它由一个互补管多谐振荡器、一个无偏压单稳态电路及两个微分电路所组成。

电路的工作过程可用图6来说明，图中画出了电路各主要点的波形。由BG\(_{1}\)、BG2组成的多谐振荡器产生一系列t\(_{1}\)＝1秒、t2=6.5秒的矩形脉冲，分别由两管的集电极输出，经微分电路C\(_{t1}\)、Rt1和C\(_{t2}\)、Rt2微分成正负尖脉冲，并由D\(_{1}\)、D2隔除正尖脉冲后，去触发由BG\(_{3}\)、BG4及BG\(_{5}\)组成的无偏压单稳态电路。平时BG3由电源经R\(_{b3}\)提供足够大的偏流而达到饱和导通，BG4 因基极处于接近地电位而截止，BG\(_{5}\)亦因得不到偏流而被迫截止，灯不亮。但当BG1或BG\(_{2}\)的集电极电位发生一次负跳变时，即有一个负向触发脉冲送给BG3的基极，使单稳态电路翻转到BG\(_{3}\)截止、BG4及BG\(_{5}\)饱和导通的暂稳态，此时指示灯便被接通而点亮。单稳态电路在暂稳态的时间为tk=0.7R\(_{b3}\)C2≈0.25秒，这便是指示灯每次闪亮的时间。经过这段时间之后，单稳态电路又自动地翻转回BG\(_{3}\)饱和、BG4及BG\(_{5}\)截止的常态（灯熄灭)。我们就是利用图6中的t1期间由BG\(_{2}\)和BG1集电极电位产生的两次负跳变（见图中箭头所示）来触发单稳态电路而实现双闪的。

电路中二极管D\(_{3}\)的作用是保护BG3的发射结，使其不致因暂稳态期间被C\(_{2}\)所加的反向偏压而击穿。BG4、BG\(_{5}\)构成了一个互补型复合管，这里主要是想说明这样做既可以利用3AX31来带灯，又可使复合管仍为NPN型。否则也可用一只3DG12来直接带灯而无须采用复合管。

图5中二极管D\(_{1}\)、D2、D\(_{3}\)可用2AP1～2AP5，或三极管3AX31的任何一个PN结来代替。(许国殷)