Шпаргалка

Шпоры по электронике / Экзамен электроника/37-54.doc

 

37. Импульсные сигналы (ИС).

ИС могут быть различной формы: прямоугольные, пилообразные, экспоненциальные и т.п.

Применение ИС обусловлено большим КПД ИУ, более высокой точностью, меньшей зависимостью от температуры, большей помехоустойчивостью, а также простотой представления информации в импульсной форме. На применении ИС основана цифровая вычислительная техника. Реальная форма прямоугольного импульса в общем случае имеет вид:

Параметрами импульсов являются:

-    амплитуда;

-    длительность импульса;

-    длительность фронта;

-    длительность среза;

-    спад вершины;

амплитуда импульса UM определяет наибольшее значение напряжения ИС. Длительность импульса tИ — это продолжительность импульса во времени. Чаще всего ее измеряют на уровне половины амплитуды 0,5UM. Иногда tИ определяется на уровне 0,1UM. При малых продолжительностях фронта и среза длительность импульса определяют по его основанию. Длительности фронта и среза — tФ и tС — характеризуют время нарастания и спада импульса. Как правило, tФ и tС определяются промежутками времени, изменение напряжения импульса между уровнями 0,1UM и 0,9UM . спад вершины импульса и его относительная величина / UM характеризуют уменьшение напряжения на плоской части импульса. Чем меньше tФ ,tС и , тем ближе форма импульса к идеальному и тем выше КПД ИУ.

Параметрами последовательности импульсов являются:

-   период их следования T;

-   частота повторения f;

-   длительность паузы tП;

-   скважность Q;

-   коэффициент заполнения ;

Периодом повторения Т называется интервал времени между одинаковыми точками двух соседних импульсов, например, между началами.

Частотой повторения f называется количество импульсов в единицу времени. Она является величиной, обратной периоду повторения: .

tП — интервал времени между окончанием предыдущего импульса и началом последнего: .

Q — скважность: .

Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения : .

38. Ключевой режим работы транзистора.

Основой схем импульсной и цифровой техники является транзисторный ключ, т.е. каскад на транзисторе, работающем в двух режимах: насыщенный (ключ открыт) и отсечки (ключ закрыт). Транзисторный ключ может быть построен по схемам с ОБ, ОЭ и ОК, однако, наибольшее распространение нашел ключ по схеме с ОЭ. Его схема с транзистором p-n-p-типа и выходные характеристики с линией нагрузки имеют вид:

Линия нагрузки аб описывается уравнением: . А точки ее пересечения с ВАХ транзистора определяют напряжение на элементах и ток в выходной цепи.

Рассмотрим режим отсечки транзистора.

Это есть режим запертого состояния, осуществляется подачей на его вход напряжения «+» полярности (UBX > 0. На рисунке а без скобок). При этом эмиттерный переход транзистора запирается и его IЭ  = 0, а через резисторы RK и RБ протекает обратный тепловой ток коллекторного перехода IK0. этому режиму на ВАХ соответствует точка MЗ (рис. б). Значение тока IK0 является параметром режима отсечки. Чем он меньше, тем лучше. Величину запирающего напряжения UBX+ выбирают из условия, чтобы при протекании IK0 через RБ выполнялось соотношение:

  (1).

Рассмотрим режим насыщения транзистора (открытого состояния).

Он достигается подачей на вход транзистора напряжения противоположной полярности (UBX < 0, на рис. а в скобках) и заданием определенной величины IБ. Этому режиму на ВАХ соответствует точка М0. при увеличении отпирающего IБ ( от нулевого значения) рабочая точка из положения МЗ будет перемещаться вверх по линии нагрузки, IК расти, а напряжение UКЭ — уменьшаться. До некоторой величины (IБ нас) будет сохраняться пропорциональная связь между IК  и IБ :

 (2),

где  - статический или усредненный коэффициент передачи тока транзистора в схеме с ОЭ (а не дифференциальный , характеризующий режим малого сигнала).

Полному открытию транзистора при iБ = IБ нас соответствует точка М0 на ВАХ. При этом через него и через резистор RК протекает ток:

 (3),

где UКЭ нас падение напряжения на открытом и насыщенном транзисторе. Это напряжение в зависимости от типа транзистора лежит в пределах от 50млВ до 1В, поэтому можно считать, что:

 (4).

Отсюда IБ, при котором транзистор полностью открыт и насыщен:

 (5).

При дальнейшем увеличении IБ остаточное напряжение UКЭ нас остается практически неизменным, т.к. все коллекторные характеристики при IБ > IБ нас проходят через точку М0. Режим работы открытого транзистора при iБ > IБ нас называется насыщенным, а отношение S = IБ / IБ нас — коэффициентом насыщения транзистора. В режиме насыщения транзистор устойчив к воздействию входных помех и изменение коэффициента , например, с температурой. Коэффициент насыщения в связи с этим выбирается в пределах от 1,5 до 3.

39. Импульсный режим ОУ. Компараторы.

При использовании ОУ в импульсном режиме на его входы подаются напряжения, превышающие их при работе в линейном режиме, поэтому выходное напряжение ОУ в импульсном режиме равно его максимально возможной величине UВЫХ+  или UВЫХ-.

Работу ОУ в импульсном режиме рассмотрим на примере компаратора, осуществляющего сравнение измеряемого UВХ с опорным UОП.

Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине и полярности напряжение, а входное изменяется во времени. При достижении UВХ уровня UОП происходит изменение полярности выходного напряжения ОУ. При UОП = 0 компаратор осуществляет фиксацию момента перехода UВХ через 0. в этом случае его еще и называют «нуль органом».

На рис. а приведена схема компаратора, на рис. б — диаграммы его работы, на рис. в — передаточная характеристика компаратора.

Выходным напряжением ОУ U0 является: U0 = UВХ — UОП, поэтому при UВХ < UОП, т.е. U0 < 0, выходное напряжение ОУ: UВЫХ = UВЫХ+, а при UВХ > UОП, т.е. при U0 > 0 : UВЫХ = - UВЫХ-.

За счет большого коэффициента усиления ОУ малейшая разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, т.е. между UВХ и UОП, приводит к скачкообразному изменению полярности выходного напряжения ОУ.

При изменении подключения входного и опорного напряжений по входам произойдет инверсия передаточной характеристики компаратора (пунктир на рис. в).

40. Триггер Шмитта на основе ОУ.

Триггером Шмитта на основе ОУ называется компаратор с гистерезисом передаточной характеристики. Это устройство также называют «пороговым».

Триггер Шмитта на ОУ реализуется при охвате его ПОС-ю по неинвертирующему входу. Его схема и передаточная характеристика имеют вид:

Переключение триггера Шмитта в состояние UВЫХ- происходит при увеличении UВХ до напряжения (порога срабатывания) UСР, а в состояние UВЫХ+ при уменьшении UВХ до напряжения (порога отпускания) UОТП. Учитывая, что U0 = 0 в моменты переключений, найдем UСР и UОТП :

откуда ширина зоны гистерезиса (на рис.в — UГ):

Если UОП =0, то напряжение

т.е. ширина зоны гистерезиса не изменилась, а UСР и UОТП имеют разный знак. Т.о., передаточная характеристика в этом случае имеет вид:

Такая схема является основной для построения генераторов импульсов на ОУ. Важнейшими параметрами ОУ, работающего в импульсном режиме, является их быстродействие, которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного импульса напряжения.

41. Симметричный мультивибратор на основе ОУ.

Мультивибратором называется генератор периодической последовательности импульсов напряжения прямоугольной формы и имеющих 2 неустойчивых состояния. Мультивибраторы, как правило, используются в качестве задающего генератора, выходные импульсы которого несут какую-либо информацию. Информацией может служить частота импульсов или их период, длительность импульсов или их скважность, моменты формирования фронта или среза импульса.

Симметричным мультивибратором (СМВ) называется мультивибратор, генерирующий импульсы, длительность tИ равна длительности пауз tП . Основой СМВ на ОУ служит компаратор с ПОС и нулевым UОП .

Схема СМВ и диаграммы его работы имеют вид:

Автоколебательный режим работы создается за счет подключения к инвертирующему входу ОУ времязадающей цепи, состоящей из резистора R и конденсатора C.

Принцип действия СМВ: пусть в момент времени t0 UC — UR1 = U0 > 0, тогда UВЫХ = - UВЫХ-. На резисторе R1 напряжение:

Отрицательное напряжение на выходе ОУ обуславливает экспоненциальный заряд конденсатора С через резистор Rс полярностью, указанной на рис. а без скобок. В момент времени t1 напряжение на конденсаторе С UС достигает величины UR1 и напряжение U0 меняет полярность. Это обуславливает скачкообразное изменение полярности на выходе ОУ на положительную: UВЫХ = + UВЫХ+. UR1 также меняет свою полярность: . В этом случае U0 < 0, а выходное напряжение поддерживается положительным.

С момента времени t1 конденсатор С перезаряжается через R от уровня  на положительное напряжение под действием напряжения UВЫХ+.

В момент времени t2 UC достигает UR1. При малейшем превышении UС над UR1 напряжение U0 становится положительным, что вызывает смену полярности напряжения на выходе ОУ на отрицательную.

Далее процессы повторяются

Частота импульсов СМВ:

 (1)

Процесс перезаряда конденсатора С через резистор R под действием источника напряжения в интервале [ t1; t2 ] описывается уравнением:

 (2) , где  - постоянная времени перезаряда конденсатора С.

 (3).

Подставляем значения напряжений в формулу (2):

 (4).

Учтем, что в момент времени t2: , найдем длительность импульса tИ  = t2 — t1:

, откуда:

(5), а частота импульсов:

Ток IK равен сумме приведенных к коллекторной обмотке трансформатора токов базы и нагрузки:

 (2)

На этапе регенерации , где UW k — напряжение на WК, rBX — входное сопротивление транзистора, а . Подставим (2) в (1), с учетом формул для IБ и IН и найдем условие, необходимое для развития прямого блокинг-процесса:

 (3)

Длительность фронта импульса, tФ = t2 — t1 в блокинг-генераторе составляет доли микросекунды. В течение интервала [t2, t3 ] = tИ транзистор находится в насыщении, т.е. , а IК , протекающий через WK, равен сумме трех составляющих: приведенного к коллекторной обмотке тока нагрузки и тока базы , а также тока намагничивания , т.е.  (4).

обусловлен приложенным к обмотке напряжением EK формой петли гистерезиса сердечника и индуктивностью LK обмотки WK. Величину LK выбирают так, чтобы амплитуда . При этом  изменяется почти по линейному закону, что обуславливает постоянство величины UH в течение tИ. В интервале tИ конденсатор С заряжается от цепи +WБ — общая шина — эмиттерный переход VT1 — С — R — (- WБ ).

IБ убывает по экспоненциальному закону. Длительность импульса зависит от величин R, rBX, C, nБ, .

В момент времени t3 транзистор выходит из насыщения, а в интервале [t3; t4 ] = tСРЕЗА приблизительно = tФРОНТА развивается обратный блокинг-процесс, заканчивающийся запиранием транзистора. Закрытое состояние поддерживается запирающим напряжением конденсатора С, прикладывающимся через R и WБ к VT1.

При запирании VT1 на WK возникает ЭДС самоиндукции, препятствующее уменьшению , диод VD2 открывается и энергия, запасенная в магнитном поле импульсного трансформатора рассеивается на R1.

Ток  уменьшается с постоянной времени LK / R1 и в момент времени t5 становится равным 0. величина выброса напряжения на WK: . Величину R1 выбирают небольшой порядка десятков Ом из соображения снижения UВЫБР.

Т.к. .

Без цепи VD2 — R1 UВЫБР достигает нескольких десятков Вольт. Транзистор вновь открывается, когда UC приблизительно = 0.

Длительность паузы определяется емкостью конденсатора С и величиной суммарного сопротивления R+RБ цепи разряда конденсатора.

БГ, как и МВ, может работать в режимах синхронизации, деления частоты и ждущем режиме. На его основе синтезирован «двухтактный БГ» или «генератор Роера».

42. Несимметричный мультивибратор на основе ОУ.

Он характеризуется тем, что длительность импульса не равна длительности паузы. Это достигается введением различных постоянных времени перезаряда во время импульса и паузы. Схема несимметричного мультивибратора и диаграмма его выходного напряжения имеет вид:

Различные постоянные времени получаются при введении неодинаковых по величине резисторов  и , тогда при «+» полярности UВЫХ открыт диод VD1 и постоянная времени равна , а при «-» полярности ток приводит диод VD2 и . UВЫХ при < имеет вид, приведенный на рис. е. Длительности tП и tИ вычисляются по уравнению (7) с подстановкой  и  соответственно, а частота по формуле:

. Регулировка скважности импульсов может осуществляться установкой переменного резистора вместо (на рис. д пунктиром). При этом tИ  = const.

Дополнительный резистор RД необходим для ограничения выходного тока DA1 при = 0. Регулирование скважности при постоянной частоте импульсов может осуществляться по схеме(Ж):

+ = R

43. Одновибраторы на основе ОУ.

Одновибратором (ОВ) называется генератор импульсов прямоугольной формы с двумя состояниями, одно из которых неустойчивое, а другое — устойчивое.

Исходное состояние — устойчивое, в нем ОВ может находиться сколь угодно долго, поэтому его называют режимом ожидания, а ОВ еще и ждущим МВ (мультивибратором).

В неустойчивое состояние ОВ переходит при воздействии внешнего короткого запускающего импульса и находится в этом состоянии в течение длительности импульса tИ, определяющегося параметрами внешних навесных элементов (резисторов и конденсаторов), затем ОВ вновь переходит в устойчивое состояние. Наиболее распространенная схема ОВ и диаграммы его работы имеют вид:

Основой этой схемы служит схема по рис. а, который параллельно конденсатору С подключен к диоду VD1, за счет чего и создается ждущий режим работы. Для указанной на рис. з полярности подключения диода VD1 запускающий импульс должен быть «+» полярности.

В исходном состоянии напряжение на выходе ОУ равно — UВЫХ, поэтому:

.

А напряжение UС равно падению напряжения на открытом диоде, т.е. UС  приблизительно равно 0.

При подаче в момент времени t1 запускающего импульса «+» полярности, ОУ переводится в состояние с UВЫХ = UВЫХ+, в этом случае , а конденсатор С начинает заряжаться через резистор R с полярностью, уже указанной на рис. з.

Напряжение UС асимптотически стремится к величине UВЫХ+, но при малейшем повышении им напряжения UR1 схема переходит в устойчивое состояние с напряжением на выходе ОУ UВЫХ = - UВЫХ-. Под воздействием этого напряжения конденсатор С разряжается до нуля в интервале времени [t2 , t3 ], называемым временем восстановления tВ в исходное состояние. В течение длительности tИ напряжение UС изменяется по формуле:

(12), где .

В момент времени t2, т.е. по окончании импульса, , откуда находим длительность импульса:

 (13)

В течение интервала [t2, t3] UС изменяется по формуле (2), где , а , откуда:

 (14).

В момент времени t3, UС(t3) = 0, откуда:

 (15).

При UВЫХ+ = UВЫХ- , получим:

 (16)

Сравним формулы (13) и (16), в них:

 

Для сокращения tB параллельно резистору R вводят цепочку VD2 и в этом случае (разряда):  или вводят транзистор, параллельно конденсатору С вместо диода VD1.

44. Блокинг-генераторы.

Блокинг-генераторы предназначены для формирования импульсов тока прямоугольной формы, относительно большой величины (до 2А) и малой длительности (от единиц мкс до нескольких сотен). Они применяются в схемах развертки электронного луча по экрану электронно-лучевых приборов, в схемах формирования управляющих импульсов тиристорами и т.д.

Блокинг-генератор представляет собой однокаскадный усилитель, охваченный глубокой ПОС с помощью импульсного трансформатора. Выходной импульс формируется при насыщенном состоянии транзистора, в котором он удерживается в течение длительности импульса цепью ПОС.

Срез импульса формируется при выходе транзистора из насыщения вследствие уменьшения тока базы, либо из-за увеличения тока коллектора. В соответствии с этим различают две разновидности блокинг-генераторов: с времязадающим конденсатором в цепи ПОС и с насыщающимся трансформатором. Наибольшее распространение нашел блокинг-генератор с конденсатором в цепи ОС, схема которого имеет вид: