ثالثاً: دوائر التكبير amplifier circuit

دائرة التكبير؛ هي دائرة إلكترونية مصممة بغرض تكبير جهد الإشارات أو قدرتها، بدون تغيير شكلها، وتقسم دوائر التكبير طبقاً للنوع إلى:

1. مكبرات الترددات السمعيةAudio frequency amplifier ، وهي الدوائر المخصصة لتكبير الذبذبات التي يقع ترددها بين 20 ذبذبة في الثانية إلى 20 ألف ذبذبة في الثانية، وعادة ما تصمم دائرة مكبر التردد السمعي لتشغل جزءاً من حيز الترددات السمعية فقط، فالدائرة التي تكبّر الكلام البشري تتعامل مع حيز ترددي أقل من تلك التي تكبر الموسيقى.

2. مكبرات الترددات اللاسلكية Radio frequency amplifier ؛ هي دوائر تعمل على تكبير ذبذبات الموجات اللاسلكية، وحيز هذه الذبذبات يبدأ من الموجات الطويلة جداً إلى الموجات شديدة القصر.

3. مكبرات الترددات البينية Intermediate frequency amplifier ؛ هي دوائر تعمل على تكبير الموجات الحاملة للإشارات اللاسلكية بعد تخفيض ترددها بواسطة مخفض التردد إلى التردد البيني، إذ يمكن الوصول إلى معامل تكبير عالٍ نسبياً.

4. مكبرات النبضات Pulses ، ومكبرات الصور المرئية Video amplifier، يكون اتساع حيز مرورها عادة أكبر من حيز مرور باقي أنواع المكبرات، ويتوقف هذا الاتساع على اتساع النبضات وشكلها، ويصل اتساع حيز المرور في أنواع من هذه المكبرات إلى 4 ميجاهرتز أو أكثر.

يختلف تصميم دوائر التكبير اختلافاً بعيداً، أياً كان نوع المكبر، وذلك طبقاً للقدرة التي يتعامل معها، فالمكبرات التي تتعامل مع القدرات المنخفضة جداً، التي توجد في أجهزة الاستقبال تالية للهوائي مباشرة، تختلف في تصميمها، و في المكونات التي تستخدم فيها عن المكبرات التي تتعامل مع القدرات العالية جداً، التي تكون في أجهزة الإرسال قبل الهوائي مباشرة، وكلا النوعين يختلف عن المكبرات التي تتعامل مع القدرات المتوسطة.

تختلف المكبرات وتختلف مكوناتها وتكلفتها طبقاً لاختلاف مواصفاتها الفنية الموجزة فيما يلي:

1. النسبة الترددية؛ تعرف بحاصل قسمة قيمة أعلى تردد على قيمة أقل تردد في الحيز الذي يعمل فيه المكبر.

2. حساسية المكبر؛ هي قدرة المكبر على تكبير الإشارات الضعيفة، وتقاس بأقل جهد إشارة عند دخل المكبر تعطى إشارة محسوسة، لها الشكل نفسه عند خرج المكبر.

3. معامل تكبير الجهد؛ هو النسبة بين جهد الإشارة عند خرج المكبر إلى جهد الإشارة عند دخله (أنظر شكل منحنى التكبير).

وعادةً ما يعتمد معامل التكبير على التردد، وتعرف علاقة معامل التكبير بالتردد المنحنى الترددي للتكبيرFrequency characteristic أو رد الفعل الترددي Frequency response (أنظر شكل المنحنى الترددي للمكبر)؛ الإشارات ذات الترددات الواقعة في الجزء المسطح من المنحنى ذي معامل التكبير الثابت، يتم تكبيرها كلها بالقيمة نفسها، وبذلك يكون شكل الإشارة عند خرج المكبر مطابقاً لشكلها عند دخله، أما تلك التي تقع في الأجزاء المائلة فإن كل تردد يتم تكبيره بقيمة مختلفة، فيكون شكل الإشارة عند خرج المكبر مختلفاً عن شكل الإشارة عند دخل المكبر؛ ويعرف حيز الترددات الذي يتم تكبيره بمعامل تكبير ثابت تقريباً باسم حيز المرور للمكبر Pass band.

4. المدى الديناميكي للمكبرDynamic range هو النسبة بين جهد أكبر إشارة يتم تكبيرها بدون تشويه، إلى أصغر جهد إشارة يتم تكبيرها، ويُعد المدى الديناميكي للمكبر أحد أهم الخواص الفنية التي تؤثر في تصميم المكبر، وتكلفته المادية، إذ يصعب تصميم مكبر يتعامل مع الإشارات الصغيرة جداً، تقاس بالمايكروفولت، وفي الوقت نفسه يتعامل بالجودة نفسها مع الإشارات الكبيرة التي تقاس بالفولت، والعكس صحيح، وكلما زاد المدى الديناميكي للمكبر، كان استقراره يحتاج إلى دوائر إلكترونية إضافية مساعدة ترفع كثيرا من تكلفة المكبر.

1. استخدام الترانزيستور في دائرة تكبير

(أُنظر شكل دائرة تكبير باستخدام ترانزيستور) يوضح ترانزيستور من النوع  N P N[3] موصلاً في دائرة تكبير، إذ تم توصيل وصلة، (الباعث - القاعدة) بجهد انحياز أمامي V_e، ومقاومة دخل R_in صغيرة نسبياً، بينما توصل وصلة، (المجمع - القاعدة) بجهد انحياز خلفي ثابتV_C ، ومقاومة خرج R_out كبيرة؛ الجهد المتردد المراد تكبيره يوصل بدائرة الباعث، والقاعدة، فيعمل على إحداث تغير في شدة التيار المار في دائرة الباعث I_e ينتج عنه تغير في عدد الإلكترونات التي تندفع إلى المجمع، وبالتالي يحدث تغير مماثل في شدة تيار المجمع I_c

أي أن

I_C = I_e

أي أن معامل التكبير يساوي النسبة بين مقاومة الخرج ومقاومة الدخل، وكما هو معروف مقاومة الخرج كبيرة جداً نتيجة للتوصيل الخلفي، ومقاومة الدخل صغيرة جداً نتيجة للتوصيل الأمامي، و يتضح من ذلك أنه بتوصيل الترانزيستور في الدائرة الكهربية بهذا الشكل يمكن تكبير الجهد الكهربي المتردد بمعامل كبير نسبياً.

2. دوائر إنتاج الذبذبات - المذبذبات -Oscillators

في الأقسام السابقة عولج موضوع التردد، والموجات، والذبذبات، وعلاقتها، ودورها في الدوائر الكهربية، والإلكترونية، وحتى هذه اللحظة يرتبط لفظ التيار أو الجهد المتردد، بمصدر التيار أو الجهد المتردد، الناتج من مولدات الجهد والتغذية الكهربية، التي لها تردد ثابت من 50 إلى 400 ذبذبة في الثانية. ولكن عند دراسة انتشار الموجات، والهوائيات، ظهرت موجات ترددها يصل إلى ملايين أو مئات الملايين من الذبذبات في الثانية الواحدة، والسؤال الذي يطرح نفسه هنا، هو هل تنتج هذه الإشارات الكهربية ذات الترددات العالية جداً، بطريقة توليد جهود التغذية الكهربية لمعروفة نفسها، والإجابة هي أنه لا يمكن ذلك، ولكن هذه الإشارات تنتج من دوائر إلكترونية خاصة يطلق عليها مولدات الذبذبات أو باختصار مذبذبات Oscillator.

المذبذب هو دائرة إلكترونية تنتج ذبذبات لها ترددات ذات درجة ثبات عالية، ودرجة ثبات التردد هي الخاصية الأساسية لأي مذبذب ؛ علماً بأن أي مذبذب يكون ذا درجة ثبات عالية لو أنه كان يعمل في الفراغ، في درجة حرارة ثابتة، ومصمم من مكونات ذات درجة ثبات عالية، وتغذى دائرته من مصدر تغذية ذو جهد ثابت، مع عدم تحميله، سحب قدرة من خرج المذبذب، وبالطبع هذه الشروط بعيدة كل البعد عن الاستخدام الواقعي للمذبذبات، وتنحصر صعوبة تصميم دوائر المذبذبات وتنفيذها في محاولة الحصول على قدرة معقولة كخرج له في درجة حرارة مناسبة، بحيث يكون التردد الناتج ثابتاً.

3. زاوية الطور Phase Angle

يوضح (شكل العلاقة بين الجهد والمحور) العلاقة بين الجهد الكهربي الناتج من مولد قدرة كهربية، و زاوية دوران محوره، و يلاحظ أن الجهد الناتج له شكل الموجة الجيبية؛ (أُنظر شكل فارق زاوية الطور)، تظهر موجتان جيبيتان بينهما فارق في زاوية الطور، لأنهما لا تبدآن معا من الزاوية صفر، في اللحظة الزمنية نفسها؛ فالموجة A تبدأ قبل الموجة B ، ويقال إنها متقدمة Leading عنها بزاوية 90 درجة. أما الموجة B فهي متأخرة Lagging عن الموجة A بزاوية 90 درجة.

تستخدم المتجهات[4] Vectors للتعبير عن علاقات زاوية الطور بين الموجات المختلفة ويطلق على الرسم الذي يوضح تلك العلاقات الرسم الطوري Phasor diagram (أُنظر شكل الرسم الطوري)؛ وتعبر أطوال المتجهاتA ، B عن القيمة العظمى للجهود، فإذا كانت للجهود القيمة نفسها تكون أطوال المتجهات متساوية، والزاوية بين المتجهين تعبر عن فارق زاوية الطور بين الجهدين، ويعرف اتجاه الزاوية بأنه عكس اتجاه دوران الساعة، وطبقاً للشكل فإن الجهد A يتقدم الجهد B بزاوية طور مقدارها 90 درجة.

4. التغذية الرجعية Feed Back

التغذية الرجعية؛ هي عملية تتم بأخذ جزء من إشارة خرج دائرة التكبير (أُنظر شكل التغذية الرجعية)، وإضافته على دخل الدائرة ليكونا معاً - إشارة التغذية الرجعية والدخل - إشارة دخل جديدة للمكبر، فإذا كانت إشاراتا الدخل والخرج متحدتين في زاوية الطور يقال إن التغذية الرجعية موجبة Positive Feedback وأما إذا كانتا متضادتين في زاوية الطور، (فارق زاوية الطور 180 درجة)، فإن التغذية الرجعية تكون سالبة Negative feedback.

تزيد التغذية الرجعية الموجبة للمكبر من معامل تكبيره، وتقلل من اتساع حيز عمله الترددي، وإذا وصلت التغذية الرجعية الموجبة لمكبر إلى حد معين، يبدأ خرج المكبر في التذبذب، أي أنه يبدأ في إنتاج خرج بدون أن يكون هناك إشارة دخل، وهذه هي فكرة عمل دوائر المذبذبات.

5. فكرة عمل المذبذب

يمكن توضيح فكرة عمل المذبذب باعتباره مكبراً، له تغذية رجعية ، تخضع لمواصفات خاصة؛ (أُنظر شكل مذبذب مكبر ذو تغذية)، للمكبر معامل تكبير يساوي A، أما إشارة التغذية الرجعية، فتوصل إلى دخل المكبر مرة أخرى بعد تكبيرها بمعامل تكبير مقداره B ، فإذا كانت إشارة الدخل E_I، وإشارة الخرج E_o، وإشارة التغذية الرجعية E_fb، تكون العلاقات التالية صحيحة:

E_o = A E _i

B A E _I = E_fb

فإذا تلاشت إشارة الدخل الخارجية تماماً أصبحت إشارة التغذية الرجعية هي دخل المذبذب فقط أي أن

E_fb = E_i

و E_fb = E_i = BE_o = BAE_I

أي أن

هذه المعادلة هي الشرط الأول لكي تبدأ دائرة التكبير في التحول إلى توليد الذبذبات، وهذا الشرط يتحقق بمجرد أن يصبح حاصل ضرب معاملات التكبير A ، B يساوي الواحد الصحيح.

يبدأ عمل المذبذب مع توصيل التغذية الكهربية له، ونتيجة للحركة العشوائية للإلكترونات تمر مجموعة قليلة، تمثل تياراً ضئيلاً جداً، داخل المكبر، فتزداد قيمة هذه الإشارة، ويتم إدخالها بالتغذية الرجعية إلى المكبر كإشارة دخل، وتكون هي الدخل الفعلي Ei، فيتم تكبيرها مرة أخرى لتزداد قيمتها، وتعود دخلاً مرة أخرى، ويظل هذا الوضع يتكرر حتى تصبح إشارة الدخل كبيرة نسبياً، فتجعل المكبر في وضع التشبع، فلا يمكنه تكبير الإشارات أكثر من ذلك، وتحقق قيمة معامل التكبير A شرط المعادلة الرقم 1، وعند ذلك يثبت خرج المكبر A على قيمة واحدة، وتعمل الدائرة كمذبذب.

يكون خرج المذبذب تكراراً لشكل النبضة الفجائية التي بدأ عمله بها، وهي تكون ذات شكل مشوه نظراً لعمل المذبذب دائماً في حالة التشبع، وللحصول على ذبذبات ذات شكل وتردد مناسبين لنوع العمل المصممة له الدائرة، تستخدم في مرحلة خرج المذبذبة دائرة رنين تتكون من ملفات ومكثفات يمكن بواسطتها تحديد تردد خرج المذبذب، (أُنظر شكل دائرة مذبذب) يوضح دائرة مذبذب مصممة باستخدام ترانزيستور من النوع N P N؛ الدائرة الرقم 2؛ هي دائرة التوليف التي تحدد التردد الذي ينتجه المذبذب. ويمكن تحديده باختيار القيمة المناسبة للمكثف المتغير C. أما المحول 1 Transformer ، فهو الذي يأخذ عينة من إشارة الخرج ليعيدها مرة أخرى إلى دخل المذبذب، قاعدة الترانزيستور، وتردد دائرة التوليف 2 هو الذي يحدد تردد الذبذبات الناتجة، ولزيادة درجة ثبات هذا التردد، كثيراً ما تستخدم بلورة crystal ذات مواصفات محددة بديلاً لدائرة التوليف، إذ يكون للتردد الناتج درجة ثبات عالية جداً، والمذبذبات التي تستخدم دوائر التوليف المكونة من ملفات حث ومكثفات تنتج ذبذبات لها شكل الموجات الجيبية، ولكن العديد من التطبيقات الإلكترونية مثل أجهزة التليفزيون والرادار وأجهزة القياس، تحتاج في عملها لذبذبات ذات أشكال مختلفة سيتم عرضها في بند لاحق .

رابعاً: دوائر التعديل ودوائر إنتاج النبضات

1. دوائر التعديل Modulator circuits

أكثر استخدام لظاهرة انتشار الموجات اللاسلكية، هو تحقيق الاتصال بين نقطتين متباعدتين، ونقل الصوت والمعلومات عبر المسافة بين هاتين النقطتين؛ وبما أن الموجات اللاسلكية في طبيعتها متماثلة، ولا تعبر عن أي معلومات؛ فقد فكر العلماء في وسيلة لاستغلال قدرة هذه الموجات على قطع المسافات الطويلة في تحقيق الاتصال، ونقل المعلومات، وقد لاحظوا أن الموجة اللاسلكية الجيبية تتميز بثلاث مواصفات أساسية هي :

أ. السعة           Amplitude.

ب. التردد           Frequency.

ج. زاوية الطور     Phase angle.

التعديل الإلكتروني Electronic modulation ؛ هي عملية تغيير بعض، مواصفات الموجة اللاسلكية الجيبية أو كلها، تغييراً يعبر عن المعلومات المطلوب نقلها بواسطة تلك الموجة أثناء انتشارها، وعند وصولها للطرف الآخر تستنتج تلك التغيرات، ويحصل منها على المعلومات، وفي هذا الأسلوب من العمل أطلق على الموجة اللاسلكية الجيبية اسم الموجة الحاملةCarrier wave وعلى إشارة المعلومات اسم الموجة المعدلة Modulation wave، ويمكن تلخيص ما سبق بان الموجة المعدلة أو موجة التعديل تعمل على تغيير أحد المواصفات الأساسية للموجة الحاملة، لينتج أحد أنواع التعديل الرئيسة التالية:

·       التعديل السعوي    Amplitude Modulation .

·       التعديل الترددي     Frequency Modulation.

·       التعديل الطوري        Phase Modulation .

·       التعديل النبضي         Pulse Modulation .

أ. التعديل السعوي

يعرف التعديل، باسم التعديل السعوي عندما تستغل موجة التعديل Modulation wave التي تعبر عن المعلومات المطلوب نقلها، لإحداث تغيير في سعة الموجة الحاملة بصورة تتناسب مع مواصفات موجة التعديل. أما باقي خواص الموجة الحاملة من تردد وزاوية الطور فتبقى كما هي بدون تغيير، (أُنظر شكل الموجة الحاملة قبل التعديل)، يوضح شكل الموجة اللاسلكية الحاملة قبل تعديلها، (أُنظر شكل موجة التعديل)، يوضح موجة التعديل التي تحمل المعلومات المطلوب نقلها، (أُنظر شكل الموجة الحاملة بعد التعديل)، يوضح شكل الموجة الحاملة بعد تعديلها بالمعلومات، وهي الموجة التي تنتشر عبر المسافات لتحقيق الاتصال اللاسلكي أو البث التليفزيوني … الخ؛ و (أُنظر شكل عمق التعديل السعوي)، يلاحظ أن سعة الموجة الحاملة تتغير زيادة ونقصاناً عن سعتها الأصلية، ويطلق على الفرق بين أكبر سعة، وأقل سعة لها اسم " عمق التعديل" Depth of Modulation.

الموجة الحاملة المعدلة Modulated carrier؛ هي في حقيقة الأمر ناتجة من مزج موجتين لهما ترددان مختلفان، الأول هو تردد الموجة الحاملة f_C، والآخر هو تردد موجة التعديل f_m ونتيجة لعملية المزج تنتج الإشارة الموضحة (أُنظر شكل الترددات الجانبية)؛ تلك الإشارة التي لها طيف توافقي Harmonic Spectrum، يتكون من تردد الموجة الحاملة، وتردد يساوي مجموع ترددي الموجة الحاملة، وموجة التعديل، f_c + f_m، وتردد يساوي الفرق بين الموجة الحاملة، وتردد موجة التعديل f_c - f_m، (أُنظر شكل الحيزات الجانبية)؛ يطلق على التردد f_c + f_m اسم التردد الجانبي العلوي، وعلى التردد f_c - f_m اسم التردد الجانبي السفلي، وإذا كانت موجة التعديل موجة ذات تردد متغير مثل تلك التي تعبر عن صوت بشري، فإن الترددات الجانبية تصبح حيزات من التردد، وينتج من ذلك حيز تردد جانبي علوي Upper side band، وحيز سفلي Lower side band ، (أُنظر شكل الموجة العالية ترددياً)، وحتى يكون هناك نقل للمعلومات بدون تشويه، يجب أن تصلح جميع مكونات دوائر الاستقبال ودوائر الإرسال للتعامل مع الترددات، التي تبدأ من أقل تردد في الحيز السفلي، حتى أعلى تردد في الحيز العلوي، ويطلق على هذه المسافة الترددية اسم حيز مرور الدائرة الإلكترونية Elect ronic Band width .

ب. التعديل الترددي

يعرف التعديل، باسم التعديل الترددي عندما تستغل سعة موجة التعديل في تغيير تردد الموجة الحاملة F_C، الذي يطلق عليه في هذه الحالة اسم التردد المركزي Center frequency، بينما تظل سعة الموجة الحاملة ثابتة، وهذا على خلاف التعديل السعوي، الذي تقل جودة المعلومات المحملة على الموجة الحاملة، نتيجة لتأثر الأخيرة بأي ترددات عشوائية في حيز انتشارها؛ (أُنظر شكل التعديل النبضي)، يوضح موجة التعديل، والموجة الحاملة بعد تعديلها ترددياً، ويلاحظ أن تردد الموجة الحاملة المركزي f_C يتغير بين تردد أقصىf_max ، وتردد أدنى f_min طبقاً لسعة موجة التعديل، ويتوقف الفرق بين هذين الترددين على المعلومات المضمنة في موجة التعديل، ويطلق على الفرق، f_max - f_min اسم عمق التعديل الترددي.

ج. التعديل الطوري Phase modulation

هذا النوع من التعديل يشبه إلى حد كبير التعديل الترددي، ولكن بدلاً من تغيير تردد الموجة الحاملة يتم تغيير زاوية الطور لها، مع ثبات كل من السعة والتردد، ولا يستخدم هذا النوع بكثرة إلا عند نقل المعلومات الرقمية Digital data.

د. التعديل النبضي Pulse Modulation

في هذا النوع من التعديل، تعدل الموجة الحاملة باستخدام موجة تعديل لها شكل نبضي؛ أي أن جهد الموجة يكون في فترات زمنية قصيرة، ويتلاشى تماماً بعد ذلك، ثم تتكرر فترات الوجود وفترات الانعدام، ونتيجة للتعديل ينتج نبضات من الموجة الحاملة في فترة تواجد نبضة موجة التعديل نفسها، ثم تنعدم الموجة الحاملة في فترة انعدام موجة التعديل نفسها (أُنظر شكل التعديل النبضي الموضعي).

هناك أنواع عديدة من التعديل النبضي، منها التعديل النبضي الترددي، وفيه يتم تغيير تردد تكرار النبضات بناءً على تغير تردد موجة التعديل frequency modulation Pulse، ومنها التعديل النبضي الموضعيPulse position Modulation، وفيه يتم تغيير الفاصل الزمني بين النبضات المتتالية بناء على سعة موجة التعديل.

(أُنظر شكل مثال لدائرة تعديل سعوي)، نجد مثال عملي لدائرة تعديل سعوي تستخدم ترانزيستوراً من النوع PN P، إذ تدخل الموجة الحاملة إلى قاعدة الترانزيستور عن طريق دائرة انتخاب ترددي، ويتم إدخال موجة التعديل، أيضاً، على قاعدة الترانزيستور من خلال محول خاص، وتؤخذ الموجة الحاملة بعد تعديلها من دائرة المجمع من خلال دائرة انتخاب ترددي، ويلاحظ تطابق تردد دائرتي الانتخاب في كل من دخل دائرة التعديل وخرجها نظراً لثبات تردد الموجة الحاملة في حالة التعديل السعوي.

2. دوائر إنتاج النبضات

تحتاج كثير من الأجهزة، والمعدات الإلكترونية، لتأدية وظائفها، إلى إشارات كهربية لها شكل يختلف عن شكل الموجات الجيبية، ويطلق على هذه الإشارات اسم الإشارات أو الموجات النبضية، (أُنظر شكل قطار النبضات) يوضح قطاراً من النبضات المتتالية؛ وتتميز مثل تلك الإشارات بالخواص الرئيسة التالية:

أ. سعة النبضة Pulse amplitude.

ب. زمن النبضة أو الاتساع الزمني للنبضة .Pulse duration

ج. زمن تكرار النبضة Pulse repetition time P وهو الزمن المقاس من لحظة بداية نبضة، إلى لحظة ابتداء النبضة التي تليها مباشرة.

د. تردد تكرار النبضات Pulse repetition frequency؛ يقصد به عدد النبضات خلال ثانية واحدة، ويساوي مقلوب زمن التكرار.

أبسط طرق إنتاج الموجات النبضية، هي استخدام دوائر القطع Clippers ، ودوائر التحديد Limiters ، تغيير شكل الموجات الجيبية البسيطة؛ ويستخدم في تنفيذ دوائر القطع، البللورات الثنائية التي تمرر التيار دون مقاومة إذا كان اتجاه التيار مطابقاً لاتجاه عمل البلورة. ويزيد على قيمة تيار القطع لها، (أُنظر شكل دائرة القطع)، عندما تزيد قيمة الجهد الكهربي المطبق على البللورة الثنائية عن قيمة مستوى القطع الموجب، وتصبح البلورة في حالة توصيل، ويثبت الجهد بين طرفيها عند قيمة هذا الجهد، مهما تغيرت قيمة الجهد المطبق على الدائرة. وعند انخفاض قيمة الجهد عن جهد التوصيل، لا يمر في البللورة أي تيار، ويكون فرق الجهد بين طرفيها مطابقاً لفرق الجهد المطبق على الدائرة. توضح الدائرة الأولى دائرة قطع علوية، أما الثانية فتوضح دائرة قطع سفلية، بينما الثالثة توضح دائرة قطع مزدوجة مكونة من بللورتين متصلتين بطريقة مختلفة في الدائرة، فتقطع موجة الدخل الجيبية من أسفل ومن أعلى، ويطلق عليها في هذه الحالة دائرة التحديد Limiter .

تنتج دوائر القطع أو دوائر التحديد إشارات لها شكل نبضي تقريبي، تصلح لبعض الاستخدامات، ولكنها لا تصلح للاستخدامات الأكثر دقة، التي تحتاج إلى إشارات ذات شكل نبضي كامل، ولإنتاج هذه الإشارات الدقيقة تستخدم دوائر إلكترونية خاصة يطلق عليها اسم المذبذبات متعددة حالات الاستقرار Multivibrators أوFlip -Flop circuits ، وتنقسم هذه النوعية من المذبذبات إلى ثلاثة أقسام:

·       المذبذبات غير المستقرة       Astable multivibrators

·       المذبذبات أحادية الاستقرار    Monostable multivibrators

·       المذبذبات ثنائية الاستقرار     Bistable multivibrators

أ. بناء المذبذبات متعددة حالات الاستقرار

تشترك هذه النوعية من المذبذبات في كونها تتركب من ترانزستورين متصلين بطريقة خاصة، بحيث يكون أحدهما في حالة مرور للتيار، والآخر في حالة عدم مرور، ثم يتبادلان حالة المرور وعدم المرور، وللمذبذب أشارتا خرج، إحداهما تؤخذ من مجمع الترانزيستور الأول، والثانية من مجمع الترانزيستور الثاني، ومن النظريات الكهربية وقانون أوم يكون الخرج جهداً منخفضاً من الترانزيستور الذي يكون في حالة التمرير، و يكون الخرج جهداً مرتفعاً من الترانزيستور الذي يكون في حالة عدم التمرير.

ب. المذبذب عديم الاستقرار

المذبذب عديم الاستقرار تتغير حالته بصفة مستمرة، ولا يستقر أبداً، فبمجرد توصيل التغذية الكهربية للمذبذب ينتج خرج مرتفع وخرج منخفض، ويستمر هذا الوضع لفترة زمنية محددة، تتوقف على قيمة الثابت الزمني للدائرة، ثم ينتقل تلقائياً إلى الحالة الثانية، فيتبادل الخرجان الوضع، ويستمر الحال للفترة الزمنية نفسها، وبعدها يعود إلى الحالة الأولى، ويستمر عمل المذبذب بهذا الأسلوب حتى تفصل عنه التغذية الكهربية؛ (أُنظر شكل المذبذب عديم الاستقرار)، يوضح شكل إشارتي الخرج لهذا النوع من المذبذبات.

ج. المذبذب أحادي الاستقرار

    لهذا المذبذب حالة استقرار واحدة، يكون فيها أحد الترانزيستورين في حالة تمرير، والآخر في حالة عدم تمرير، ويستمر المذبذب على هذه الحالة دائماً حتى يأتيه مؤثر خارجي في شكل إشارة للتشغيل،نبضة البدء Trigger pulse ، ونتيجة لهذه النبضة يتغير وضع الترانزيستورين إلى وضع انتقالي مؤقت لفترة زمنية محددة، يعودا بعدها إلى حالة الاستقرار بدون مؤثر خارجي، وهذه الفترة الزمنية الانتقالية يحددها الثابت الزمني للدائرة؛ (أُنظر شكل المذبذب أحادي الاستقرار)، يوضح شكل إشارة الخرج لهذا النوع من المذبذبات.

د. المذبذب ثنائي الاستقرار

لهذا المذبذب حالتا استقرار، يستمر على أي منهما حتى يأتيه مؤثر خارجي في شكل نبضة تشغيلTrigger pulse ، فينتقل من حالة استقرار إلى الحالة الأخرى، ويستمر على هذه الحالة حتى يتكرر المؤثر الخارجي، فيعود إلى الحالة الأولى، ويتكرر الانتقال من حالة إلى حالة مع تكرار المؤثر الخارجي؛ (أُنظر شكل المذبذب ثنائي الاستقرار)، يوضح شكل إشارتي الخرج لهذا النوع من المذبذبات.

هـ. دائرة تطبيقية للمذبذب عديم الاستقرار

(أُنظر شكل دائرة مذبذب عديم الاستقرار)، يوضح رسماً تفصيلياً لدائرة مذبذب عديم الاستقرار مكونة أساساً من ترانزيستورين من النوع N P N ، وتعمل هذه الدائرة وفق التسلسل الآتي:

(1) بمجرد توصيل التغذية الكهربية ₊V يبدأ أحد الترانزيستورين، T₁ مثلاً، في العمل، فيمر خلاله تيار بسيط؛ هذا التيار يعمل على إيجاد فرق جهد على المقاومة R₁ فينخفض جهد مجمعT₁ .

(2) انخفاض جهد المجمع  T₁ينتقل عبر المكثف C₁ إلى قاعدة الترانزيستور T₂، فتعمل على تخفيض التيار المار فيه، فيقل فرق الجهد الواقع على R₂، ويرتفع جهد مجمع T₂ .

(3) ارتفاع جهد مجمع T₂ ينتقل عبر المكثف C₁ إلى قاعدة T₁ ، فيعمل على زيادة التيار المار فيه، وهكذا تستمر هذه الدورة حتى يصبح T₁ عاملاً بكامل طاقته، ويصبح T₂ غير عامل تماماً، وفي هذه الحالة يكون جهد الخرج E₂ مرتفعاً، وجهد الخرج E₁ منخفضاً.

(4) الطرف الأيسر للمكثف C₁ يصبح متصلا بجهد الخرج المنخفض E₁ والطرف الأيمن له متصل بالجهد المرتفع لمصدر التغذية ₊ V عن طريق المقاومة R₃، فيبدأ في اكتساب شحنات كهربية بثابت زمني للشحن مقداره C₁ R₃، وخلال عملية الشحن يرتفع جهد الطرف الأيمن للمكثف تدريجيا.

(5) طرف المكثف C₁ الأيمن متصل كذلك بقاعدة الترانزيستور T₂ التي يبدأ جهدها في الارتفاع مع ارتفاع جهد C₁ ، حتى تصل قيمته إلى القيمة المناسبة لبدأ مرور تيار بسيط في T₂ ، فيحدث انخفاض لجهد المجمع E₂ ، وتبدأ دورة عمل أخرى تنتهي بأن يكون T₂ عاملاً بكامل طاقته، وT₁ لا يعمل تماماً، فيرتفع الجهدE₁ ، وينخفض جهد E₂ .

(6) يستمر تبادل حال الترانزيستورين بين العمل وعدمه، حتى يتم فصل التغذية عن دائرة المذبذب.

3. إنتاج النبضات ذات أشكال خاصة

أ. إنتاج نبضات سنّ المنشار Saw tooth pulses

تعرف الدائرة المستخدمة لتحويل النبضات مستطيلة الشكل، (أُنظر شكل دائرة المكامل)، إلى نبضات ذات شكل سن المنشار، باسم دائرة المكامل، وهي تتكون من مقاومة ومكثف C ، وهي تعمل كالآتي:

(1) عند تطبيق نبضة مستطيلة الشكل على دخل الدائرة، يبدأ المكثف C في اكتساب الشحنات الكهربية فيرتفع فرق الجهد بين طرفيه تدريجياً، وفق قيمة الثابت الزمني للشحن R C

(2) يتم اختيار قيمة المقاومة R و المكثف C بحيث يصل المكثف إلى أقصى شحنته عند انتهاء زمن النبضة تماماً.

(3) عند انتهاء النبضة المطبقة على دخل الدائرة، يبدأ المكثف في تفريغ الشحنات المتراكمة عليه، فينخفض فرق الجهد بين طرفيه تدريجياً، وفق الثابت الزمني نفسه RC ، حتى يصل فرق الجهد إلى أدنى قيمة له، قبل بدء النبضة التالية، وتتكررعملية الشحن والتفريغ مع كل نبضة جديدة.

(4) الثابت الزمني RC تكون قيمته كبيرة نسبياً.

ب. إنتاج نبضات التشغيل الحادة Trigger pulses

تعرف الدائرة المستخدمة لتحويل النبضات مستطيلة الشكل إلى نبضات حادة، باسم دائرة المفاضل، وهي تتكون من مكثف C ومقاومة R، (أُنظر شكل نبضات دائرة المفاضل)، وتعمل كالآتي:

(1) عند تطبيق النبضة المستطيلة على داخل الدائرة يبدأ المكثفC  في اكتساب الشحنات الكهربية، ويزداد فرق الجهد بين أطرافه تدريجياً، وفق الثابت الزمني RC، وينخفض الجهد تدريجياً، وبالنسبة نفسها على مقاومة الخرج R، وعند وصول قيمة فرق الجهد على المكثف إلى أعلى قيمة، يكون فرق الجهد على أطراف المقاومة له أقل قيمة.

(2) عند انتهاء النبضة المطبقة على دخل الدائرة، يبدأ المكثف في التفريغ، ويكون اتجاه تيار التفريغ المار في الدائرة عكس اتجاه تيار الشحن، ويزداد فرق الجهد بين طرفي المقاومة R وفق قيمة الثابت الزمني RC، و تتكرر دورة الشحن و التفريغ مع كل نبضة جديدة.

(3) للحصول على نبضات حادة يجب أن تكون قيمة الثابت الزمني للشحن RC صغيرة نسبياً.