Лекция 32

Глава 20. Регенеративные импульсные устройства

20.1. Принципы построения и режимы работы регенеративных импульсных устройств

Для работы различных импульсных устройств часто требуется обеспе­чить подачу на их вход или в другие цепи импульсов напряжений пря­моугольной формы требуемой амплитуды U и длительности t_и (периоди­ческих с периодом T или непериодических) или крутых перепадов напря­жений ∆U, вырабатываемых в нужные моменты. Положительные и отрицательные перепады образуют импульсы. Крутые перепады напря­жения (тока) могут создаваться нелинейными системами в результате возникновения в них регенеративных процессов.

Регенеративными называются процессы, протекающие лавинообразно под воздействием положительной обратной связи или туннельного эффекта.

Устройства, в которых в результате регенеративных процессов возникают крутые перепады напряжения и тока, называют регенератив­ными импульсными устройствами. Среди них наибольшее распростра­нение получили устройства, основанные на использовании усилителей с положительной обратной связью. По построению и назначению регене­ративные импульсные устройства подразделяют на две большие группы. Одна из них — это генераторы, вырабатывающие импульсы напряжения требуемой амплитуды U и длительности t_и, форма которых близка к прямоугольной. Вторая группа — это триггеры, вырабатывающие пере­пады напряжения.

Триггеры имеют два устойчивых состояния, из которых они выхо­дят под воздействием запускающих импульсов. В состав генераторов входят времязадающие цепи (обычно в виде RС-цепей). В генераторах импульсов в течение регенеративного процесса формируется фронт импульса, затем во времязадающей цепи начинает протекать релакса­ционный процесс (поэтому эти генераторы иногда называют релаксацион­ными). На стадии релаксационного процесса формируется рабочая часть импульса — вершина. Длительность этого процесса определяет длительность импульсов и частоту их повторения. Затем вновь наступает регенеративный процесс, протекающий в противоположном направлении, во время которого формируется срез вырабатываемого импульса. За ним начинает снова протекать релаксационный процесс, длительность ко­торого определяет интервал времени между генерируемыми импульсами. Далее процесс повторяется. При этом генераторы не имеют ни одного состояния устойчивого равновесия, вследствие чего они непрерывно генерируют импульсы.

Однако возможен режим, в котором генераторы имеют одно состоя­ние устойчивого равновесия. Итак, релаксационный генератор может работать в одном из режимов: автоколебательном, ждущем, синхрониза­ции и деления частоты. Релаксационные генераторы можно разделить на два типа: мультивибраторы и блокинг-генераторы.

20.2. Мультивибраторы

Мультивибраторы вырабатывают колебания (импульсы) почти прямоугольной формы, имеющие широкий спектр частоты, т. е. это генератор множества колебаний. Схемы мультивибраторов строятся на усилителях с положительной обратной связью и включают времязадаю­щие RC-цепочки. В качестве активных элементов в них используют транзисторы и туннельные диоды. Мультивибраторы выпускают как на отдельных (дискретных) элементах, так и в интегральном исполнении. Они бывают симметричные и несимметричные. Рассмотрим мультивибраторы на биполяр­ных транзисторах.

Мультивибратор в режиме автоколебаний. Рассмотрим схе­му с коллекторно-базовыми связями (рис. 20.1). Она пред­ставляет собой двухкаскадный усилитель на биполярных тран­зисторах T₁ и Т₂. База одного транзистора соединена с коллектором другого через конденсаторыC₁ и С₂, которые обеспечивают положительную обратную связь. Резисторы R_Б1 и R_Б2 осуществляют подачу напряжения смещения на базы соответственно транзисторов Т₁ и Т₂ и входят в состав время-задающих RC-цепей. Схема симметрична по структуре, а параметры симметричных элементов одинаковы, т. е. а транзисторы T₁ и Т₂ одного типа. Такой мультивибратор называют симметричным. При рассмотрении процессов, происходящих в муль­тивибраторе, надо помнить, что потенциалы баз и коллекторов каждого транзистора равны соответственно:

Так как далее напряжение определяется между точкой с заданным потенциалом и точкой с нулевым потенциалом, то напряжение u равно потенциалу φ. Зарядка и разрядка конденсаторов C₁ = С₂ = С происхо­дит по экспоненциальному закону с постоянной времени τ = RC.

Напряжение на конденсаторе и ток во время зарядки изменяются по закону, который в общем случае имеет вид

(20.3)

где τ_з = R_КС — постоянная времени цепи зарядки конденсатора.

Напряжение на конденсаторе и ток во время зарядки изменяются по закону

(20.4)

где — постоянная времени цепи разрядки конденсатора.

При работе импульсных устройств наряду с зарядкой и разрядкой конденсатора имеет место процесс перезарядки, когда предварительно заряженный конденсатор подключается через резистор встречно к источ­нику питания. В этом случае конденсатор сначала разряжается, а после того, как напряжение на нем станет равным нулю, заряжается по той же цепи до напряжения противоположной полярности. В общем случае процесс перезарядки описывается уравнением

где — постоянная времени цепи перезарядки конденсатора.

В рассматриваемых далее процессах в мультивибраторе конденсатор заряжается до напряжения илии, если бы он полностью перезаряжался, напряжение на нем становилось бы равным или Тогда напряжение на конденсаторе во времяперезарядки

(20.5)

где так как перезарядка происходит через резистор R_Б.

Ток перезарядки

(20.6)

Рассмотрим работу мультивибратора.

Исходное состояние. Так как схема симметрична, то при подаче напряжения питания E_K коллекторные токи i_K, базовые токи i_Б, напряжения на коллекторах u_K,, базах u_Б и на конденсаторах и_с одного и другого усилителя будут одинаковыми.

Конденсатор C₁ заряжается по цепи 0, эмиттерный переход тран­зистора -Е_K, а конденсатор С₂ — по цепи 0, переход эмит­тер — база транзистора Предположим, что в первый момент после включения схемы транзисторы Т₁ и Т₂ будут находиться в активном режиме. Особенность схемы такова, что достаточно малей­шего нарушения симметрии (например, увеличения тока коллектора одного из транзисторов, так как в реальных цепях обеспечить абсолют­ную симметрию схемы невозможно), чтобы в цепи наступило само­возбуждение.

Предположим, что при включении цепи ток коллектора i_K1 транзистора T₁ скачком возрос. При этом скачком увеличится падение напряжения на резисторе R_Kl, а потенциал коллектора φ_K1 станет менее отрицательным; напряжение на коллекторе u_К1 получит положительное приращение. Напряжение u_К1 действует в цепи конденсатор С₁, переход база — эмит­тер транзистора Т₂, но его приращение полностью приложится к напря­жению на базе u_Б2 транзистора Т₂, так как напряжение на конденсаторе по второму закону коммутации скачком измениться не может. Вследствие этого потенциал базы φ_Б2 транзистора Т₂ станет менее отрицательным, транзистор Т₂ несколько подзакроется и ток его коллектора уменьшится. Уменьшение тока i_K2 вызовет уменьшение падения напряжения на резисторе R_K2 и потенциал φ_K2 коллектора транзистора Т₂ станет более отрицательным.

Отрицательный скачок напряжения u_к2, аналогично скачку напря-жения u_К1, приложится к напряжению на базе транзистора Т₁, но, поскольку этот скачок напряжения отрицательный, потенциал φ_Б1 станет более отрицательным и это еще больше откроет транзистор T₁ и ток коллектора i_К1 еще больше возрастет. Это вызовет новый положительный скачок напряжения u_K1, который будет выше предыдущего за счет усилитель­ных свойств транзистора, и, таким образом, лавинообразный процесс изменения токов и напряжений коллектора за счет положительной обратной связи будет повторяться. Он закончится тем, что транзистор T₁ полностью откроется и будет находиться в режиме насыщения, а транзистор Т₂ полностью закроется и будет находиться в режиме отсечки.

Как только транзистор Т₂ закроется, действие положительной ОС прекращается и лавинообразный процесс заканчивается. Время про­текания лавинообразного процесса очень мало по сравнению с после­дующим процессом. Таким образом, лавинообразный процесс протекает в то время, когда оба транзистора находятся в активном режиме.

Во время лавинообразного (регенеративного) процесса формируются крутые фронты импульсов. По окончании регенеративного процесса напряжение на базе насыщенного транзистора T₁ будет отрицатель­ным и близким к нулю, поскольку падением напряжения на сопротивлении перехода база — эмиттер можно пренебречь; напряжение на коллекторе также будет примерно равно нулю; напряжение на базе закрытого тран­зистора Т₂ будет определяться выражением (20.1) и окажется больше нуля; напряжение на коллекторе транзистора Т₂ будет примерно равно -Е_к, так как ток через резистор R_K2 примерно равен нулю. Состояние схемы по окончании регенеративного процесса называют квазиустой­чивым равновесием. Название происходит от того, что в этом состоянии мультивибратор не может находиться длительное время. Процессы, происходящие в нем, выводят его из равновесия и заканчиваются «опро­кидыванием» схемы, т. е. закрытый транзистор открывается, переходит в режим насыщения, а открытый транзистор закрывается, переходит в режим отсечки.

Изменение режима транзисторов происходит за счет того, что конденсаторы C₁ и С₂, заряженные в первый момент работы схемы до напряжений u_Co1 и u_C02 и сохранившие эти значения за время регенера­тивного процесса неизменными, будут изменять свое состояние, при этом один из них будет продолжать заряжаться по той же цепи, а дру­гой — перезаряжаться.

Рассмотрим, как будет происходить этот процесс. Открытое состояние транзистора T₁ поддерживается отрицательным смещением на базе, подаваемым от источника питания через резистор R_Б1, а транзистор Т₂ удерживается в закрытом состоянии положительным потенциалом на конденсаторе u_C1, приложенным к базе, так как u_C1 ≈ u_Б2 {если пренебречь незначительным падением напряжения на сопротивлении насыщен­ного транзистора T₁).

Конденсатор С₂ заряжается по цепи 0, открытый транзистор T₁, C₂, R_K2, -Е_к в соответствии с (20.3), где τ₃ = R_К2С₂. Напряжение на конденсаторе С₂ будет увеличиваться до максимального значения u_С2 = U_C2m ≈ E_K (незначительным напряжением на базе насыщенного транзистора u_Б1 пренебрегли). Ток зарядки конденсатора С₂, протекая по резистору R_K2, создает на нем падение напряжения. Так как ток зарядки убывает во времени с постоянной времени τ₃ = R_К2С₂, то к концу зарядки потенциал коллектора φ_K2 транзистора T₂ станет равным -E_K.

После того как транзистор Т₂ закроется, конденсатор C₁ окажется подключенным к источнику Е_K по другой цепи: 0, открытый транзистор T₁, конденсатор С₁, резистор R_Б2, -Е_K, поэтому направление тока изменится на обратное и конденсатор начнет перезаряжаться.

Ток перезарядки и напряжение на конденсаторе изменяются по экспоненциальному закону [согласно формулам (20.5) и (20.6)] с постоянной времени τ_п = R_Б2C₁. Сначала начнется разрядка конденсатора, а в момент времени t₂, когда напряжение u_С1 на конденсаторе C₁ упадет до нуля и потенциал базы транзистора Т₂ станет примерно равным нулю, транзистор Т₂ откроется, появится ток i_K2 и в процессе перезарядки разрядка конденсатора С₁ закончится. Этот процесс зарядки одного конденсатора и перезарядки другого происходит по сравнению с лавино­образным, регенеративным, процес­сом медленно. В это время форми­руются вершины импульсов.

Переходный процесс при зарядке и разрядке конденсаторов называют релаксационным. Поэтому можно встретить другое название мульти­вибраторов — генераторы релакса­ционных колебаний. По окончании релаксационного процесса оба тран­зистора оказываются открытыми и вновь начинается скачкообразное из­менение токов коллекторов, т. е. в схеме протекает новый лавинообраз­ный процесс. На рис. 20.2 показаны эпюры напряжений на базах u_Б1, u_Б2 и коллекторах u_К1, u_K2 транзисто­ров Т₁ и Т₂. Напряжения на коллекторах - это выходные напряжения мультивибратора.

Параметры генерируемого импульса. Положим, что импульс форми­руется при закрывании транзистора, а пауза — при открывании.

Амплитуда импульса. Так как мультивибратор симметричен, на каждом выходе его формируются импульсы с одинаковой амплиту­дой. Напряжение на коллекторе открытого транзистора Т равно примерно нулю, а на коллекторе закрытого транзистора U_Кз ≈ -Е_к. Тогда амплитуда импульса U_m = U_KН - U_Кз ≈ |Е_K|.

Длительность импульса. После того как один из тран­зисторов (например, Т₂) закрывается, происходит перезарядка конден­сатора C₁, присоединенного к коллектору открытого транзистора T₁. Перезарядка длится с момента t₁ до t₂ (рис. 20.2), когда потенциал базы транзистора Т₂ станет равным нулю (напряжение на перезаряжаемом конденсаторе упадет до нуля). В это время транзистор Т₂ откроется и формирование вершины импульса закончится. Таким образом, дли­тельность импульса определяется временем разрядки в процессе переза­рядки конденсатора C₁ (рассуждая аналогично, можно сказать, что она равна времени разрядки конденсатора С₂). Поэтому конденсаторы С₁ и С₂ называют времязадающими или хронирующими. Напряжение на конденсаторе в период разрядки, а следовательно, и на базе закрытого транзистора Т₂ будет уменьшаться по экспоненте, согласно (20.5), с постоянной времени τ_п1 =R_Б2C₁.

(20.7)

Спустя время t₂ – t₁, равное времени длительности импульса t_п1, по­тенциал базы транзистора Т₂ станет равен примерно нулю. Подставляя в выражение (20.7) t = t_и и u_Б2 = 0, получим или

После преобразований получаем

Период колебаний Для симметричного мультивибратора t_И1 = t_И2, поэтому

(20.10)

Скважность

Ждущий мультивибратор с коллекторио-базовыми связями (одно-вибратор). Ждущий мультивибратор, который иначе называют одно-вибратором, предназначен для формирования одиночных импульсов заданной длительности, которые вырабатываются в определенные моменты времени. Он имеет одно состояние устойчивого равновесия. Это достигается тем, что усилительный элемент одного из плеч мульти­вибратора запирается напряжением смещения от дополнительного источника. В этом случае схема без внешнего запускающего импульса не сможет опрокинуться. Запускающий импульс должен иметь определен­ную полярность, амплитуду и длительность. До подачи запускающего им­пульса схема как бы «ждет» запуска, отсюда и название прибора. После подачи запускающего импульса схема переходит в следующее со­стояние — квазиустойчивое равновесие, в котором она находится неко­торое время, равное длительности запускающего импульса, и возвра­щается в устойчивое состояние.

Рассмотрим схему ждущего мультивибратора с коллекторно-базовыми связями (рис. 20.3, а). Эта схема отличается от рас­смотренной ранее схемы мульти­вибратора с коллекторно-базовы­ми связями в автоколебательном режиме следующим. В схему вве­ден источник смещения E_Б, кото­рый запирает транзистор T₁. Тран­зистор T₁ может быть открыт подачей на его базу отрицатель­ного запускающего импульса от постороннего источника E_З, вклю­ченного в цепь базы транзистора Т₁ через разделительный конден­сатор С_р. Параметры схемы R_Б1, R_Б2 и R выбирают таким образом, чтобы в исходном состоянии тран-зистор Т₁ был закрыт за счет источника смещения +Е_Б, а тран­зистор Т₂ открыт и насыщен. Конденсатор C₁ может заряжаться по цепи 0, полностью открытый транзистор T₂, конденсатор С₁, резистор R_K1, -E_K. Для генерации импульса схему выводят из устойчивого состояния,для чего на базу закрытого транзистора T₁ подают запускающий импульс. Оба транзистора оказываются открытыми, поэтому в цепи развивается лавинообразный процесс изменения токов i_К1 и i_K2. В результате этого схема опрокидывается: транзистор Т₁ открывается и переходит в режим насыщения, а транзистор Т₂ закрывается и переходит в режим отсечки, удерживаясь в этом состоянии, так как его база оказалась подклю­ченной через конденсатор С₁ и открытый транзистор Т₂ к нулевому зажиму источника Е_K. Теперь конденсатор оказывается подсоединен­ным к источнику E_K по другой цепи: 0, открытый транзистор T₁, C₁, R_Б2, - Е_K — и начнет перезаряжаться с постоянной времени τ_п = R_Б2С₁. По мере его разрядки в процессе перезарядки, как только напряжение на нем упадет до нуля, потенциал базы φ_Б2 транзистора Т₂ станет равен нулю и транзистор Т₂ откроется.

Теперь опять оба транзистора открыты и в схеме вновь разви­вается лавинообразный процесс, в результате которого схема опроки­дывается: транзистор T₁ закрывается, а транзистор Т₂ открывается. Но при этом напряжение на конденсаторе С₁ равно нулю, а не Е_K, как это было в исходном состоянии. Поэтому после переброса схемы конденсатор С₁ станет заряжаться по цепи 0, открытый транзистор Т₂, конденсатор С₁, резистор R_К1, -E_к с постоянной времени τ₁ = R_K1C₁. Процесс зарядки конденсатора C₁ требует некоторого времени, при­мерно (4τ₁). После зарядки конденсатора до исходного напря­жения Е_K схема перейдет в исходное устойчивое состояние.

На выходе ждущего мультивибратора (транзистора Т₂) формируется почти прямоугольный импульс, длительность которого t_И определяется длительностью закрытого состояния транзистора Т₂. Поэтому сле­дующий запускающий импульс должен быть подан не ранее того времени, когда закончится зарядка конденсатора C₁. Это время от момента, когда напряжение на конденсаторе С₁ возрастает от нуля до исходного значения E_K, называют временем восстановления t_вос. На рис. 20.3, б показаны эпюры изменения напряжений на базе транзистора Т₂, на кол­лекторе транзистора T₁ и на коллекторе транзистора Т₂.