9.8. Формирователь импульсов на основе длинной линии

Длинными линиями называются электрические цепи с распределёнными параметрами R, L и С, т. е. как бы состоящие из бесконечно большого числа бесконечно малых сопротивлений, индуктивностей и емкостей. Термин «длинные» показывает, что время распространения сигнала вдоль линии сопоставимо с временными параметрами самого сигнала: например, в случае импульсного сигнала – с длительностью импульса. Примерами длинных линий являются линии задержки (см. разд. 3). Поэтому время распространения сигнала вдоль линии (в одну сторону) определяется выражением t_p = L/ = =(L/c), где L – длина линии; c – скорость электромагнитных волн (ЭМВ) в вакууме;  – скорость ЭМВ в среде с диэлектрической проницаемостью .

Кроме времени распространения длинные линии характеризуются еще одним важным параметром – волновым сопротивлением . Процессы в линиях существенно различаются в зависимости от соотношения сопротивления нагрузки линии R_н и . На основе длинных линий создают линии задержки и формирователи импульсов.

Рассмотрим переходные процессы в длинных линиях. Вначале допустим, что линия разомкнута на конце и подключается к источнику постоянного напряжения Е, причем внутреннее сопротивление источника R_и равно волновому сопротивлению . В этом случае при замыкании ключа напряжение источника Е делится поровну между внутренним сопротивлением и волновым сопротивлением линии. Поэтому по линии распространяются волна напряжения Е/2 и волна тока Е/2. Дойдя до разомкнутого конца линии, волны напряжения и тока отражаются. На конце линии происходит накапливание электрических зарядов, поэтому напряжение на конце линии максимально. Так как ток в конце разомкнутой линии всегда равен нулю, то, следовательно, нулю должна быть равна сумма падающей и отраженной волн тока. Поэтому отраженная от разомкнутого конца волна тока по значению равна, но противоположна по знаку падающей волне. Отраженная волна напряжения равна по значению и по знаку падающей волне напряжения.

Через время, равное 2L/, отраженные волны возвратятся ко входу линии. При принятом условии, что внутреннее сопротивление источника равно волновому сопротивлению линии, отражение от входа не происходит. На линии прямая и отраженная волны напряжения складываются и создают напряжение Е, а волны тока взаимно компенсируются, поэтому ток в линии будет равен нулю.

Если линия замкнута на конце накоротко, то напряжение на замкнутом конце линии равно нулю. Поэтому отраженная волна напряжения противоположна по знаку падающей волне и напряжение по всей линии устанавливается равным нулю. Ток в конце линии максимален, отраженная волна тока имеет тот же знак, что и падающая волна, поэтому ток в линии устанавливается равным I = E/.

Как в разомкнутой, так и в замкнутой линиях переходные процессы заканчиваются после достижения отраженной волной начала линии, т. е. к моменту t_з = 2L/ после замыкания ключа.

Если линия нагружена на сопротивление, равное волновому сопротивлению линии, то отражение не возникает. Если нагрузкой является сопротивление, отличное от , то отраженный импульс имеет амплитуду меньшую, чем падающий.

Переходные процессы в линиях используют для задержки импульсов. Так, если подать положительный импульс на вход разомкнутой линии, то через t_з он вернется, имея те же полярность и амплитуду; при использовании короткозамкнутой линии полярность импульса изменится на противоположную. При замыкании линии на нагрузку, равную , задержка импульса, выделяющегося на нагрузочном сопротивлении, составит t_p = t_з /2.

Длинную линию можно использовать для формирования импульсов. При этом используют переходные процессы при разряде линии через сопротивление, равное волновому. Процесс формирования импульса с помощью разомкнутой длинной линии поясняет рис. 9.18.

Первоначально линия подключена к источнику питания напряжением Е и во всех ее сечениях напряжение равно Е, а ток – нулю. При переключении ключа начинается разряд линии через резистор R = .

Рис. 9.18

Разряд начинается с нагрузочного конца линии и продолжается в течение t_p = L/. Благодаря выбору R =  напряжение на резисторе равно половине первоначального напряжения на линии, т. е. Е/2. Волна разрядного тока амплитудой Е/2 достигает разомкнутого конца линии, меняя знак, и возвращается к резистору. Следует отметить, что, поскольку падающая волна тока способствует снижению напряжения на линии, то ей следует присвоить знак «минус»; тогда отраженная волна приобретает знак «плюс», т. е. создает на резисторе R падение напряжения той же полярности, что и напряжение источника. Обратная волна возвращается к резистору через время t_p = L/ и существует также в течение интервала времени t = L/.

Таким образом, на резисторе R падение напряжения амплитудой Е/2 поддерживается в течение временного интервала  = t_p + t = 2L/ во время прохождения сначала падающей волны, затем – отраженной.

После прохождения отраженной волны линия оказывается совершенно разряженной, напряжение и ток во всех ее сечениях равны нулю. Какие-либо отражения от нагрузочного конца линии не возникают, так как сопротивление нагрузки равно  (если R  , то образуются постепенно затухающие отражения поочередно от нагрузочного и разомкнутого концов длинной линии).

Итак, схема рис. 9.16 является формирователем прямоугольных видеоимпульсов амплитудой Е/2 и длительностью  = 2L/, выделяющихся на сопротивлении R = . Аналогичный результат получается при применении короткозамкнутых длинных линий, причем в последнем случае можно получить импульс с амплитудой, превышающей Е. Изложенным способом формируют наносекундные импульсы; с использованием некоторых типов длинных линий удается удлиннить импульс до 0,5 мкс.