Лекция 14 Импульсные устройства автоматики и вычислительной техники

14.1 Общая характеристика импульсных устройств

Наряду с непрерывным режимом работы в электронных устройствах используется импульсный режим работы, при котором кратковременный сигнал чередуется с паузой. Импульсный режим (ИР) работы имеет ряд преимуществ перед непрерывным режимом работы:

1. В ИР достигается значительная мощность во время действия импульсов при малом значении средней мощности.

2. ИР позволяет ослабить влияние температуры и других внешних факторов на рабочие характеристики полупроводниковых приборов.

3. ИР значительно повышает пропускную способность и помехоустойчивость электронных устройств.

4. Для реализации импульсных устройств необходимы однотипные элементы, которые легко изготовляют методами интегральной технологии.

В импульсных устройствах используют импульсы различной формы: прямоугольные, трапецеидальные, экспоненциальные, колоколообразные, ступенчатые, пилообразные. Их называют видеоимпульсами в отличие от радиоимпульсов, представляющих собой пакеты высокочастотных колебаний. В импульсной технике применяют, как правило, видеоимпульсы.

Обычно импульсы следуют периодически с периодом Т, которому соответствует частота повторения f = 1/T. Отношение периода Т к длительности импульсов t_и называют скважностью:

Скважность обычно колеблется в пределах от 2÷10 (автоматика, вычислительная техника) до 10000 (радиолокация).

а – прямоугольный; б – трапецеидальный; в – экспоненциальный;

г – колоколообразный; д – ступенчатый; е – пилообразный

Рисунок 14.1 - Форма видеоимпульсов

а – прямоугольный; б – колоколообразный

Рисунок 14.2 - Форма радиоимпульсов

Реальные импульсы искажены и характеризуются следующими величинами: амплитудой импульса А; длительностью импульса t_и, обычно определяемой на уровне 0,1 А; длительностью фронта импульса t_ф – временем нарастания импульса от 0,1 до 0,9 А; длительностью среза импульса t_c – временем убывания импульса от 0,9 до 0,1 А; спадом вершины импульса Δ А.

Рисунок 14.3 - Параметры реального импульса

Для определения полосы пропускания устройств, предназначенных для передачи импульсных сигналов, важно знать спектральный состав этих сигналов. Периодическую последовательность импульсов характеризуют спектром в виде большого числа гармоник. Амплитудные спектры – зависимости амплитуд гармоник от частоты – различны для разных форм импульсов, их длительности и периода.

На рисунке показан спектр прямоугольных импульсов, отстоящих друг от друга на и поэтому содержит А(0) = const и амплитуды гармоник кратные Т. Другие составляющие отсутствуют. Такой спектр называется линейчатым (дискретным). Спектры характеризуют активной шириной, составляемой 95% энергии сигнала в диапазоне частот f = 0 ÷ f_max.

14.2 Электронные ключи и простейшие формирователи импульсных сигналов

Основу любого электронного ключа составляет активные элемент (диод, транзистор, тиристор), работающий в «ключевом режиме». Ключевой режим характеризуется двумя состояниями ключа: «Включено» - «Выключено».

Качество электронного ключа характеризуется следующими основными величинами:

- падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии U_з;

- током через ключ в разомкнутом состоянии i_р;

- временем перехода ключа из одного состояния в другое (временем переключения) t_пер.

Рисунок14.5 - Схема (а), динамические диаграммы тока (б) и выходного

напряжения (в) идеального ключа

Чем меньше U_з, i_р, t_пер, тем выше качество ключа. Простейший тип ключей – это диодные ключи.

Рисунок 14.6 - Схема (а) и статическая Рисунок 14.7 - Схема (а) и статическая

характеристика (б) последовательного характеристика (б) последовательного

диодного ключа с нулевым уровнем диодного ключа с ненулевым уровнем

включения включения

Рисунок 14.8 - Схема (а) и статическая Рисунок 14.9 - Схема (а) и статическая

характеристика (б) параллельного характеристика (б) параллельного

диодного ключа с нулевым уровнем диодного ключа с ненулевым уровнем

включения включения

Рисунок 14.10 - Схема (а) и статическая характеристика (б) двойного диодного ключа

Диодные ключи не позволяют электрически разделить управляющую и управляемую цепи, что часто требуется на практике. В этом случае применяют транзисторные ключи.

Рисунок 14.11 - Схема (а) и коллекторные характеристики (б) ключа

на биполярном транзисторе

Приведенная схема мало отличается от схемы усиления с общим эммитером.

Однако транзистор работает в «ключевом режиме», характеризуемом двумя состояниями. Первое состояние определяется т. А₁ на выходных характеристиках транзистора; его называют режимом отсечки:

I_б = 0; I_К1 = I_Кнач; U_К = U_K1 ≈ Е_К (U_б<0). Второе состояние определяется точкой А₂ и называется режимом насыщения. Он реализуется при U_б>0.

.

Из режима отсечки в режим насыщения ключ переводится воздействием положительного входного напряжения. При этом повышению U_входн. (потенциала базы) соответствует понижение U_вых , и наоборот. Такой ключ называют инвертирующим (инвертором).

Используют также повторяющие ключи, у которых понижению входного напряжения соответствует понижение выходного напряжения. Их выполняют по схеме эмиттерного повторителя.

Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется ёмкостями «р-n» переходов и длительностью накопления и рассасывания не основных носителей заряда в базе. Для повышения быстродействия и входного сопротивления применяют ключи на полевых транзисторах.

Ключ обычно устанавливается последовательно с коммутируемым участком цепи (нагрузкой) или параллельно ему.

Рисунок 14.12 - Принципиальные схемы параллельного (а) и последовательного (б)

транзисторных ключей

Ключевые свойства транзисторного ключа не являются идеальными . Поэтому для повышения эффективности коммутации транзисторными ключами её иногда осуществляют одновременно последовательным и параллельным ключами. При этом для подключения нагрузки последовательный ключ включается, а параллельный ключ выключается. Для отключения нагрузки порядок изменения состояния ключей будет противоположным.

В силовых электронных схемах применяют транзисторные ключи на биполярных транзисторах с изолированным затвором. Стандартные схемы силовой электроники с транзисторами IGBT, MOSFET, BIMOSFET приведены ниже.

Рисунок 14.13 - Схема последовательного соединения двух транзисторов

IGBT для коммутации высоковольтного напряжения

Рисунок 14.14 - Двунаправленный транзисторный ключ переменного тока

Рисунок 14.15 - Управление значением переменного тока с использованием

диодного моста

Ключи на полевых транзисторах реализуют на полевых транзисторах типа МДП (МОП). Схема последовательного ключа на МДП-транзисторе показана ниже. Управляющим напряжением ключ устанавливается в открытое или закрытое состояние, тем самым, замыкая или размыкая участки цепи слева и справа ключа.

Аналогичную структуру имеет микросхема пятиканального ключа.

Рисунок 14.16 - Последовательный ключ Рисунок 14.17 - Структура микросхемы

на МДП – транзисторе. пятиканального ключа

В интегральных микросхемах ключей роль резисторов R_с выполняют МДП (МОП) – транзисторы, что улучшает технологичность микросхемы и её параметры.

Ключи на МДП – транзисторах с индуцированными каналами разных типов проводимости на т.н. дополняющих (комплементарных) КМДП – транзисторах используют для переключения при различном по знаку управляющем напряжении. Управляющее напряжение подаётся на объединённые затворы, подложки соединены с истоками. Между затвором и истоком управляющего транзистора VT1 действует

Рисунок 14.18 - Схема ключа на дополняющих КМДП – транзисторах

U_упр.(принимающее только положительное значение), между аналогичными выводами нагрузочного транзистора VT2 приложено напряжение U_упр. – Е_п . Транзистор VT1 с каналом n – типа отпирается, когда +U_ЗИ1 > U_{пор. n}; транзистор VT2 c каналом р – типа отпирается, если –U_ЗИ2 < - U_{пор. р} . Таким образом, VT2 является регулируемой нагрузкой: когда VT1 открыт, то VT2 закрыт; когда VT1 закрыт, то VT2 открыт (имеет небольшое сопротивление).

Рисунок 14.19 - Принципиальная схема переключателя тока

Такой переключатель тока предназначен для переключения тока из одной цепи в другую цепь. Транзисторы VT1 и VT2 имеют общий эмиттер. При изменении разности напряжений (U_вх - U_оп.) напряжение U_э повторяет большее из этих двух напряжений, а ток переключается из цепи транзистора VT1 в цепь транзистора VT2 и наоборот.

Ключ может быть построен и на симметричном тиристоре. Принципиальная схема такого ключа представлена ниже, его особенность в том, что этот ключ может размыкать более значительные токи, чем транзисторные ключи.

Электронные ключи используют в устройствах формирования импульсов. К простейшим и наиболее распространённым устройствам формирования импульсов относят ограничители, а также линейные цепи, включаемые на выходе электронного ключа.

Ограничителем называют нелинейный четырехполюсник, выходное напряжение которого повторяет форму входного напряжения, если последнее не выходит за уровни ограничения, и почти не изменяется, если входное напряжение превышает эти уровни. Для ограничения «сверху» применяют последовательные и параллельные диодные ключи, а также транзисторные ключи, работающие только в режиме «отсечки» или только в режиме насыщения. Для двустороннего ограничения используют двойные ключи.

Часто в качестве ограничителей используют устройства с кремниевыми стабилитронами, которые аналогичны стабилизаторам напряжения.

Рисунок 14.21 - Схема (а) и динамическая диаграмма работы (б) ограничителя

на стабилитроне

Применение ограничителей весьма разнообразно: формирование трапецеидального напряжения из синусоидального; сглаживание вершин импульсов искаженных помехой; выделение (селектирование) импульсов, амплитуда которых больше или меньше определенного уровня.

Для формирования коротких импульсов служат дифференцирующие цепи – линейные четырехполюсники, у которых выходное напряжение приблизительно пропорционально производной входного напряжения по времени:

Рисунок 14.22 - Схема (а) и диаграмма работы (б) дифференцирующей цепи

Для уменьшения длительности выходных импульсов следует уменьшить постоянную времени дифференцирующей цепи t = RC.

Интегрирующие цепи – четырехполюсники, у которых выходное напряжение пропорционально интегралу по времени от входного напряжения, применяют для формирования импульсов реже, чем дифференцирующие цепи. Чтобы получить интегрирующую цепь, следует конденсатор С и резистор R поменять местами.