- •А.М. Ланских электронные устройства
- •Глава 1. Электронные ключевые элементы и устройства
- •1.1. Основные понятия
- •1.2. Ключи на биполярных транзисторах
- •1.3. Ключевые каскады на полевых транзисторах.
- •Сравнение схем ключей на биполярных и полевых транзисторах
- •Глава 2. Цифровые ключи на биполярных и полевых транзисторах.
- •Глава 3. Аналоговые ключи и переключатели
- •3.1. Аналоговые ключи
- •3.2. Схемы управления аналоговыми ключами
- •3.3. Аналоговые коммутаторы
- •Аналоговый коммутатор с памятью
- •Глава 4. Источники вторичного электропитания
- •4.1. Классификация и структура источников
- •4.2. Параметрические стабилизаторы
- •4.3. Компенсационные стабилизаторы
- •4.4. Стабилизаторы постоянного тока
- •4.5. Импульсные стабилизаторы напряжения
- •Глава 5. Логические элементы
- •5.1. Общие сведения
- •5.2. Основные характеристики и параметры логических элементов
- •5.3. Схемотехника базовых логических элементов
- •5.3.1. Диодно-транзисторная логика
- •5.3.2. Транзисторно-транзисторная логика
- •5.3.3. Транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки
- •5.3.4. Эмиттерно-связанная логика
- •5.3.5. Интегральная инжекционная логика
- •5.3.6. Базовые логические элементы на униполярных транзисторах
- •5.3.7. Сравнительная таблица основных параметров логических элементов
- •5.3.8. Согласование в логических схемах
- •Глава 6. Генераторы импульсов
- •6.1. Классификация генераторов импульсов
- •6.2. Генераторы линейно изменяющегося напряжения
- •6.3. Генераторы прямоугольных импульсов
6.3. Генераторы прямоугольных импульсов
Генераторы прямоугольных импульсов широко используются в радиотехнике, телевидении, системах автоматического управления и вычислительной технике.
Для получения импульсов прямоугольной формы с крутыми фронтами широко применяются устройства, принцип работы которых основан на использовании электронных усилителей с положительной обратной связью. К этим устройствам относятся так называемые релаксационные генераторы – мультивибраторы, блокинг-генераторы. Эти генераторы могут работать в одном из следующих режимов: ждущем, автоколебательном, синхронизации и деления частоты.
В ждущем режиме генератор имеет одно устойчивое состояние равновесия. Внешний запускающий импульс вызывает скачкообразный переход ждущего генератора в новое состояние, которое не является устойчивым. В этом состоянии, называемом квазиравновесным, или временно устойчивым, в схеме генератора происходят относительно медленные процессы, которые в кончном итоге приводят к обратному скачку, после чего устанавливается устойчивое исходное состояние. Длительность состояния квазиравновесия, определяющая длительность генерируемого прямоугольного импульса, зависит от параметров схемы генератора. Основными требованиями к ждущим генераторам является стабильность длительности формируемого импульса и устойчивость его исходного состояния. Ждущие генераторы применяются, прежде всего, для получения определенного временного интервала, начало и конец которого фиксируются соответственно фронтом и спадом генерируемого прямоугольного импульса, а также для расширения импульсов, для деления частоты повторения импульсов и других целей.
В автоколебательном режиме генератор имеет два состояния квазиравновесия и не имеет ни одного устойчивого состояния. В этом режиме без какого-либо внешнего воздействия генератор последовательно переходит скачком из одного состояния квазиравновесия в другое. При этом генерируются импульсы, амплитуда, длительность и частота повторения которых определяются в основном только параметрами генератора. Основным требованием, предъявляемым к таким генераторам, является высокая стабильность частоты автоколебаний. Между тем в результате изменения питающих напряжений, смены и старения элементов, воздействия других факторов (температуры, влажности, наводок и т.п.) стабильность частоты автоколебаний генератора обычно невелика.
В режиме синхронизации или деления частоты частота повторения генерируемых импульсов определяется частотой внешнего синхронизирующего напряжения (синусоидального или импульсного), подаваемого в схему генератора. Частота повторения импульсов равна или кратна частоте синхронизирующего напряжения.
Генератор периодически повторяющихся прямоугольных импульсов релаксационного типа называется мультивибратором.
Схема мультивибратора может быть реализована как на дискретных элементах, так и в интегральном исполнении.
Мультивибратор на дискретных элементах. В таком мультивибраторе используют два усилительных каскада, охваченных обратной связью. Одна ветвь обратной связи образована конденсатором и резистором , а другая - и (рис. 6.16).
|
Для такой схемы в определенном диапазоне частот выполняется условие самовозбуждения. Так как в цепи обратной связи имеются конденсаторы, то мультивибратор не имеет устойчивых состояний и обеспе- |
Рис. 6.16 |
чивает генерирование периодически повторяющихся импульсов, форма которых близка прямоугольной.
В мультивибраторе оба транзистора могут находиться в активном режиме очень короткое время, так как в результате действия положительной обратной связи схема скачком переходит в состояние, когда один транзистор открыт, а другой закрыт.
Примем для определенности, что в момент времени транзистор VT1 открыт и насыщен, а транзистор VT2 закрыт (рис. 6.17). Конденсатор за счет тока, протекавшего в схеме в предшествующие моменты времени, заряжен до определенного напряжения. Полярность этого напряжения такова, что к базе транзистора VT2 относительно эмиттера приложено отрицательное напряжение и VT2 закрыт. Поскольку один транзистор закрыт, а другой открыт и насыщен, в схеме не выполняется условие самовозбуждения, так как коэффициенты усиления каскадов .
В таком состоянии в схеме протекают два процесса. Один процесс связан с протеканием тока перезаряда конденсатора от источника питания по цепи резистор - открытый транзистор VT1. Второй процесс обусловлен зарядом конденсатора через резистор и базовую цепь транзистора VT1, в результате напряжение на коллекторе транзистора VT2 увеличивается (рис. 6.17). Поскольку резистор, включаемый в базовую цепь транзистора, имеет большее сопротивление, чем коллекторный резистор ( ), время заряда конденсатора меньше времени перезаряда конденсатора .
|
Процесс заряда конденсатора носит экспоненциальный характер с постоянной времени . Следовательно, время заряда конденсатора , а также время нарастания коллекторного напряжения , т. е. длительность фронта импульса . За это время конденсатор заряжается до напряжения . В связи с перезарядом конденсатора напряжение на базе транзистора VT2 нарастает, но пока транзистор VT2 закрыт, а транзистор VT1 |
Рис. 6.17 |
открыт, поскольку его база оказывается подключенной к положительному полюсу источника питания через резистор .
Базовое и коллекторное напряжения транзистора VT1 при этом не изменяются. Это состояние схемы называется квазиустойчивым.
В момент времени по мере перезаряда конденсатора напряжение на базе транзистора VT2 достигает напряжения открывания и транзистор VT2 переходит в активный режим работы, для которого . При открывании VT2 увеличивается коллекторный ток и соответственно уменьшается . Уменьшение вызывает снижение базового тока транзистора VT1, что, в свою очередь, приводит к уменьшению коллекторного тока . Снижение тока сопровождается увеличением базового тока транзистора VT2, поскольку ток, протекающий через резистор , ответвляется в базу транзистора VT2 и .
После того как транзистор VT1 выйдет из режима насыщения, в схеме выполняется условие самовозбуждения: . При этом процесс переключения схемы протекает лавинообразно и заканчивается, когда транзистор VT2 переходит в режим насыщения, а транзистор VT1 - в режим отсечки.
В дальнейшем практически разряженный конденсатор ( ) заряжается от источника питания по цепи резистор - базовая цепь открытого транзистора VT2 по экспоненциальному закону с постоянной времени . В результате в течение времени происходит увеличение напряжения на конденсаторе до и формируется фронт коллекторного напряжения транзистора VT1 .
Закрытое состояние транзистора VT1 обеспечивается тем, что первоначально заряженный до напряжения конденсатор через открытый транзистор VT2 подключен к промежутку база - эмиттер транзистора VT1, чем поддерживается отрицательное напряжение на его базе. С течением времени запирающее напряжение на базе изменяется, поскольку конденсатор перезаряжается по цепи резистор - открытый транзистор VT2. В момент времени напряжение на базе транзистора VT1 достигает значения и он открывается.
В схеме снова выполняется условие самовозбуждения и развивается регенеративный процесс, в результате которого транзистор VT1 переходит в режим насыщения, а VT2 закрывается. Конденсатор оказывается заряженным до напряжения , а конденсатор практически разряжен ( ). Это соответствует моменту времени , с которого началось рассмотрение процессов в схеме. На этом полный цикл работы мультивибратора заканчивается, так как в дальнейшем процессы в схеме повторяются.
Как следует из временной диаграммы (рис. 6.17), в мультивибраторе периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы можно снимать с коллекторов обоих транзисторов. В случае, когда нагрузка подключается к коллектору транзистора VT2, длительность импульсов определяется процессом перезаряда конденсатора а длительность паузы - процессом перезаряда конденсатора .
Цепь перезаряда конденсатора содержит один реактивный элемент, поэтому , где ; ; .
Таким образом, .
Процесс перезаряда заканчивается в момент времени , когда . Следовательно, длительность положительного импульса коллекторного напряжения транзистора VT2 определяется формулой
.
В том случае, когда мультивибратор выполнен на германиевых транзисторах, формула упрощается , поскольку .
Процесс перезаряда конденсатора , который определяет длительность паузы между импульсами коллекторного напряжения транзистора VT2, протекает в такой же эквивалентной схеме и при тех же условиях, что и процесс перезаряда конденсатора только с другой постоянной времени: . Поэтому формула для расчета аналогична формуле для расчета :
.
Обычно в мультивибраторе длительность импульса и длительность паузы регулируют, изменяя сопротивление резисторов и .
Длительности фронтов зависят от времени открывания транзисторов и определяются временем заряда конденсатора через коллекторный резистор того же плеча . При расчете мультивибратора необходимо выполнить условие насыщения открытого транзистора . Для транзистора VT2 без учета тока перезаряда конденсатора ток . Следовательно, для транзистора VT1 условие насыщения , а для транзистора VT2 - .
Частота генерируемых импульсов . Основным препятствием увеличения частоты генерирования импульсов является большая длительность фронта импульсов. Снижение длительности фронта импульса за счет уменьшения сопротивлений коллекторных резисторов может привести к невыполнению условия насыщения.
При большой степени насыщения в рассмотренной схеме мультивибратора возможны случаи, когда после включении оба транзистора насыщены и колебания отсутствуют. Это соответствует жесткому режиму самовозбуждения. Для предотвращения этого следует выбирать режим работы открытого транзистора вблизи границы насыщения, чтобы сохранить достаточный коэффициент усиления в цепи обратной связи, а также использовать специальные схемы мультивибраторов.
Если длительность импульса равна длительности , что обычно достигается при , то такой мультивибратор называется симметричным.
Длительность фронта генерируемых мультивибратором импульсов можно существенно уменьшить, если дополнительно ввести в схему диоды (рис. 6.18).
|
При перезаряде конденсаторов диоды VD1 и VD2 открыты и, таким образом, эти процессы протекают так же, как и в рассмотренной ранее схеме. Влияние диодов сказывается при заряде конденсаторов. |
Рис. 6.18 |
Когда, например, закрывается транзистор VT2 и начинает увеличиваться коллекторное напряжение, то к диоду VD2 прикладывается обратное напряжение, он закрывается и тем самым отключает заряжающийся конденсатор от коллектора транзистора VT2. В результате ток заряда конденсатора протекает уже не через резистор , а через резистор . Следовательно, длительность фронта импульса коллекторного напряжения теперь определяется только процессом закрывания транзистора VT2. Аналогично работает и диод VD1 при заряде конденсатора .
Хотя в такой схеме длительность фронта существенно уменьшена, время заряда конденсаторов, которое ограничивает скважность импульсов, практически не изменяется. Постоянные времени и не могут быть уменьшены за счет снижения . Резистор в открытом состоянии транзистора через открытый диод подключается параллельно резистору .В результате при возрастает потребляемая схемой мощность.
Мультивибратор на интегральных схемах (рис. 6.19). Простейшая схема содержит два инвертирующих логических элемента ЛЭ1 и ЛЭ2, две времязадающие цепочки и и диоды VD1, VD2.
|
Рис. 6.19 |
Положим, что в момент времени (рис. 6.20) напряжения , а . Если ток через конденсатор не протекает, то напряжение на нем , а на входе элемента ЛЭ1 . В схеме протекает ток заряда конденсатора от ЛЭ1 через резистор . Напряжение на входе ЛЭ2 по мере заряда конденсатора уменьшается, но пока , ЛЭ2 находится в состоянии нуля на выходе. |
|
Рис. 6.20 |
В момент времени и на выходе ЛЭ2 . В результате на вход ЛЭ1 через конденсатор , который заряжен до напряжения , подается напряжение и ЛЭ1 переходит в состояние нуля . Так как напряжение на выходе ЛЭ1 уменьшилось, то конден-сатор начинает разряжаться. В результате на резисторе возникнет напряжение отрицательной полярности, откроется диод VD2 и конденсатор быстро разрядится до напряжения . После окончания этого процесса напряжение на входе ЛЭ2 .
Одновременно в схеме протекает процесс заряда конденсатора и с течением времени напряжение на входе ЛЭ1 уменьшается. Когда в момент времени напряжение , , . Процессы начинают повторяться. Опять происходит заряда конденсатора , а конденсатор разряжается через открытый диод VD1. Поскольку сопротивление открытого диода намного меньше сопротивления резисторов , и , разряд конденсаторов и происходит быстрее, чем их заряд.
Напряжение на входе ЛЭ1 в интервале времени определяется процессом заряда конденсатора : , где ; - выходное сопротивление логического элемента в состоянии единицы; ; , откуда . Когда , заканчивается формирование импульса на выходе элемента ЛЭ2, следовательно, длительность импульса
.
Длительность паузы между импульсами (интервал времени от до ) определяется процессом заряда конденсатора , поэтому
.
Длительность фронта генерируемых импульсов определяется временем переключения логических элементов.
На временной диаграмме (рис. 6.20) амплитуда выходных импульсов не меняется: , поскольку при ее построении не учитывалось выходное сопротивление логического элемента. С учетом конечности этого выходного сопротивления амплитуда импульсов будет изменяться.
Недостатком рассмотренной простейшей схемы мультивибратора на логических элементах является жесткий режим самовозбуждения и связанное с этим возможное отсутствие колебательного режима работы. Этот недостаток схемы можно исключить, если дополнительно ввести логический элемент И (рис. 6.21).
|
Рис. 6.21 |
Когда мультивибратор генерирует импульсы, то на выходе ЛЭ3 , поскольку . Однако вследствие жесткого режима самовозбуждения возможен такой случай, когда при включении напряжения источника питания из-за малой скорости нарастания напряжения ток заряда конденсаторов и оказывается небольшим. При этом падение напряжения на резисторах и может быть меньше порогового и оба элемента (ЛЭ1 и ЛЭ2) окажутся в состоянии, когда напряжения на их выходах . При таком сочетании входных сигналов на выходе элемента ЛЭ3 возникнет напряжение , которое через резистор подается на вход элемента ЛЭ2. Так как , то ЛЭ2 переводится в состояние нуля и схема начинает генерировать импульсы.
Для построения генераторов прямоугольных импульсов наряду с дискретными элементами и ЛЭ в интегральном исполнении используются операционные усилители.
Мультивибратор на операционном усилителе имеет две цепи обратной связи (рис. 6.22). Цепь обратной связи неинвертирующего входа образована двумя резисторами ( и ) и, следовательно, . Обратная связь по инвертирующему входу образована цепочкой , |
|
Рис. 6.22 |
поэтому напряжение на инвертирующем входе зависит не только от напряжения на выходе усилителя, но и является функцией времени, поскольку .
Процессы, протекающие в мультивибраторе, рассмотрим, начиная с момента времени (рис. 6.23), когда напряжение на выходе положительное ( ). При этом конденсатор в результате процессов, протекавших в предшествующие моменты времени, заряжен таким образом, что к инвертирующему входу приложено отрицательное напряжение. |
|
Рис. 6.23 |
На неинвертирующем входе действует положительное напряжение . Напряжение остается постоянным, а напряжение на инвертирующем входе с течением времени увеличивается, стремясь к уровню , поскольку в схеме протекает процесс перезаряда конденсатора .
Однако пока , состояние усилителя определяет напряжение на неинвертирующем входе и на выходе сохраняется уровень .
В момент времени напряжения на входах операционного усилителя становятся равными: . Дальнейшее незначительное увеличение приводит к тому, что дифференциальное (разностное) напряжение на инвертирующем входе усилителя оказывается положительным, поэтому напряжение на выходе резко уменьшается и становится отрицательным . Так как напряжение на выходе операционного усилителя изменило полярность, то конденсатор в дальнейшем перезаряжается и напряжение на нем, а также напряжение на инвертирующем входе стремятся к .
В момент времени опять и затем дифференциальное (разностное) напряжение на входе усилителя становится отрицательным. Так как оно действует на инвертирующем входе, то напряжение на выходе усилителя скачком опять принимает значение . Напряжение на неинвертирующем входе также скачком изменяется . Конденсатор , который к моменту времени зарядился до отрицательного напряжения, опять перезаряжается и напряжение на инвертирующем входе возрастает, стремясь к . Так как при этом , то напряжение на выходе усилителя сохраняется постоянным. Как следует из временной диаграммы (рис. 6.23), в момент времени полный цикл работы схемы заканчивается и в дальнейшем процессы в ней повторяются. Таким образом, на выходе схемы генерируются периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы, амплитуда которых при равна . Длительность импульсов (интервал времени ) определяется временем перезаряда конденсатора по экспоненциальному закону от до с постоянной времени , где - выходное сопротивление операционного усилителя. Поскольку во время паузы (интервал ) перезаряд конденсатора происходит в точно таких же условиях, что и при формировании импульсов, то . Следовательно, схема работает как симметричный мультивибратор.
В несимметричном ( ) мультивибраторе на операционном усилителе перезаряд конденсатора в паузе и во время формирования импульса осуществляется через различные резисторы (рис. 6.24). Когда напряжение на выходе усилителя положительное ( ) и формируется импульс, то диод VD1 открыт и перезаряд конденсатора происходит с |
|
Рис. 6.24 |
постоянной времени . При отрицательном напряжении на выходе ( ) открыт диод VD2 и постоянная времени перезаряда конденсатора , определяющая длительность паузы, .
Ждущий мультивибратор или одновибратор имеет одно устойчивое состояние и обеспечивает генерирование прямоугольных импульсов при подаче на вход схемы коротких запускающих импульсов.
Одновибратор на дискретных элементах состоит из двух усилительных каскадов, охваченных положительной обратной связью (рис. 6.25).
|
Одна ветвь обратной связи, как и в мультивибраторе, образована конденсатором и резистором ; другая - резистором , включенным в общую цепь эмиттеров обоих транзисторов. Благодаря такому включению резистора напряжение база - эмиттер |
Рис. 6.25 |
транзистора VT1 зависит от коллекторного тока транзистора VT2. Такую схему называют одновибратором с эмиттерной связью. Параметры схемы рассчитываются таким образом, чтобы в исходном состоянии в отсутствие входных импульсов транзистор VT2 был открыт и насыщен, а VT1 находился в режиме отсечки. Такое состояние схемы, являющееся устойчивым, обеспечивается при выполнении условий: .
Положим, что одновибратор находится в устойчивом состоянии. Тогда токи и напряжения в схеме будут постоянными. База транзистора VT2 через резистор подключена к положительному полюсу источника питания, что в принципе обеспечивает открытое состояние транзистора. Для расчета коллекторного базового токов имеем систему уравнений
Определив отсюда токи и , условие насыщения запишем в виде
.
Если учесть, что и , то полученное выражение существенно упрощается: .
На резисторе за счет протекания токов , создается падение напряжения . В результате разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора VT1 определяется выражением
.
Если в схеме выполняется условие , то транзистор VT1 закрыт. Конденсатор при этом заряжен до напряжения . Полярность напряжения на конденсаторе указана на рис. 6.25.
Положим, что в момент времени (рис. 6.26) на вход схемы поступает импульс , амплитуда которого достаточна для открывания транзистора VT1. В результате в схеме начинается процесс открывания транзистора VT1 сопровождающийся увеличением коллекторного тока и уменьшением коллекторного напряжения . |
|
Рис. 6.26 |
Когда транзистор VT1 открывается, конденсатор оказывается подключенным к области база - эмиттер транзистора VT2 таким образом, что потенциал базы становится отрицательным и транзистор VT2 переходит в режим отсечки. Процесс переключения схемы носит лави-нообразный характер, поскольку в это время в схеме выполняется условие самовозбуждения. Время переключения схемы определяется длительностью процессов включения транзистора VT1 и выключения транзистора VT2 и составляет доли микросекунды.
При закрывании транзистора VT2 через резистор перестают протекать коллекторный и базовый токи VT2. В результате транзистор VT1 остается в открытом состоянии даже после окончания входного импульса. В это время на резисторе падает напряжение .
Состояние схемы, когда транзистор VT1 открыт, а VT2 закрыт, является квазиустойчивым. Конденсатор через резистор , открытый транзистор VT1 и резистор оказывается подключенным к источнику питания таким образом, что напряжение на нем имеет встречную полярность. В схеме протекает ток перезаряда конденсатора и напряжение на нем, а следовательно, и на базе транзистора VT2 стремится к положительному уровню.
Изменение напряжения носит экспоненциальный характер: , где . Начальное напряжение на базе транзистора VT2 определяется напряжением, до которого первоначально заряжен конденсатор и остаточным напряжением на открытом транзисторе:
.
Предельное значение напряжения, к которому стремится напряжение на базе транзистора VT2, .
Здесь учтено, что через резистор протекает не только ток перезаряда конденсатора , но и ток открытого транзистора VT1. Следовательно, .
В момент времени напряжение достигает напряжения отпирания и транзистор VT2 открывается. Появившийся коллекторный ток создает дополнительное падение напряжения на резисторе , что приводит к уменьшению напряжения . Это вызывает уменьшение базового и коллекторного токов и соответствующее увеличение напряжения . Положительное приращение коллекторного напряжения транзистора VT1 через конденсатор передается в цепь базы транзистора VT2 и способствует еще большему нарастанию его коллекторного тока . В схеме опять развивается регенеративный процесс, оканчивающийся тем, что транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 переходит в режим насыщения. На этом процесс генерирования импульса заканчивается. Длительность импульса определяется, если положить : .
После окончания импульса в схеме протекает процесс заряда конденсатора по цепи, состоящей из резисторов , и эмиттерной цепи открытого транзистора VT2. В начальный момент базовый ток транзистора VT2 равен сумме токов заряда конденсатора : тока , ограниченного сопротивлением резистора , и тока, протекающего через резистор . По мере заряда конденсатора ток уменьшается и соответственно снижается ток базы транзистора VT2, стремясь к стационарному значению, определяемому резистором . В результате в момент открывания транзистора VT2 падение напряжения на резисторе оказывается больше стационарного значения, что приводит к увеличению отрицательного напряжения на базе транзистора VT1. Когда напряжение на конденсаторе достигает значения схема переходит в исходное состояние. Длительность процесса дозаряда конденсатора , который называется этапом восстановления, определяется соотношением .
Минимальный период повторения импульсов одновибратора , а максимальная частота . Если интервал между входными импульсами окажется меньше , то конденсатор не успеет дозарядиться и это приведет к изменению длительности генерируемых импульсов.
Амплитуда генерируемых импульсов определяется разностью напряжений на коллекторе транзистора VT2 в закрытом и открытом состояниях .
Одновибратор можно реализовать на базе мультивибратора, если одну ветвь обратной связи сделать не емкостной, а резисторной и ввести источник напряжения (рис. 6.27). Такая схема называется одновибратором с коллекторно-базовыми связями.
|
В исходном состоянии схемы транзистор VT1 открыт и насыщен, поскольку на его базу подается положительное напряжение через резистор . Условие насыщенного состояния выполняется, если . |
Рис. 6.27 |
К базе транзистора VT2 приложено отрицательное напряжение и он закрыт. Конденсатор заряжен до напряжения . В случае германиевых транзисторов .
Конденсатор , исполняющий роль форсирующего конденсатора, заряжен до напряжения . Это состояние схемы является устойчивым.
При подаче на базу транзистора VT2 отпирающего импульса (рис. 6.28) в схеме начинают протекать процессы открывания транзистора VT2 и закрывания транзистора VT1.
При этом выполняется условие самовозбуждения, развивается регенеративный процесс и схема переходит в квазиустойчивое состояние. Транзистор VT1 оказывается в закрытом состоянии, поскольку за счет заряда на конденсаторе к его базе прикладывается отрицательное напряжение. Транзистор VT2 остается в открытом состоянии и после окончания входного сигнала, так как потенциал коллектора транзистора VT1 при его закрывании увеличился и соответственно возросло напряжение на базе VT2. |
|
Рис. 6.28 |
При переключении схемы формируется фронт выходного импульса, который обычно снимается с коллектора транзистора VT1. В дальнейшем в схеме протекает процесс перезаряда конденсатора . Напряжение на нем , а следовательно, и напряжение на базе транзистора VT1 изменяется по экспоненциальному закону , где .
Когда в момент времени напряжение на базе достигает значения , транзистор VT1 открывается, напряжение на его коллекторе уменьшается и закрывается транзистор VT2. При этом формируется срез выходного импульса. Длительность импульса получим, если положить :
.
Так как , то . Длительность среза .
В дальнейшем в схеме протекает ток заряда конденсатора через резистор и базовую цепь открытого транзистора VT1. Длительность этого процесса, который определяет время восстановления схемы, .
Амплитуда выходных импульсов в такой схеме одновибратора практически равна напряжению источника питания.
Одновибратор на логических элементах. Для реализации одновибратора на логических элементах обычно используют элементы И-НЕ. Структурная схема такого одновибратора включает два элемента (ЛЭ1 и ЛЭ2 ) и времязадающую цепочку (рис. 6.29). Входы ЛЭ2 объединены, и он работает как инвертор. Выход ЛЭ2 соединен с одним из входов ЛЭ1, а на другой его вход подается управляющий сигнал.
|
Рис. 6.29 |
Чтобы схема находилась в устойчивом состоянии, на управляющий вход ЛЭ1 необходимо подать напряжение (рис. 6.30). При этом условии ЛЭ2 находится в состоянии «1», а ЛЭ1 - в состоянии «0». Любая другая комбинация состояний элементов не является устойчивой. В таком состоянии схемы на резисторе имеется некоторое падение напряжения, которое обусловлено током ЛЭ2, протекающим в его |
|
Рис. 6.30 |
входной цепи. Схема генерирует прямоугольный импульс при кратковременном уменьшении (момент времени ) входного напряжения . Через интервал времени, равный (не показан на рис. 6.29), на выходе ЛЭ1 напряжение увеличится. Этот скачок напряжения через конденсатор передается на вход ЛЭ2. Элемент ЛЭ2 переключается в состояние «0». Таким образом, на входе 1 ЛЭ1 через интервал времени начинает действовать напряжение и этот элемент останется в состоянии единицы, если даже по истечении времени напряжение опять станет равно лог. «1». Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы длительность входного импульса .
По мере заряда конденсатора выходной ток ЛЭ1 уменьшается. Соответственно уменьшается падение напряжения на : . Одновременно несколько увеличивается напряжение , стремясь к напряжению , которое при переключении ЛЭ1 в состояние «1» было меньше за счет падения напряжения на выходном сопротивлении ЛЭ1. Это состояние схемы является временно устойчивым.
В момент времени напряжение достигает порогового и элемент ЛЭ2 переключается в состояние «1». На вход 1 ЛЭ1 подается сигнал и он переключается в состояние лог. «0». При этом конденсатор , который в интервале времени от до зарядился, начинает разряжаться через выходное сопротивление ЛЭ1 и диод VD1. По истечении времени , определяемого процессом разряда конденсатора , схема переходит в исходное состояние.
Таким образом, на выходе ЛЭ2 генерируется импульс прямоугольной формы. Длительность его, зависящая от времени уменьшения до , определяется соотношением , где - выходное сопротивление ЛЭ1 в состоянии «1». Время восстановления схемы , где - выходное сопротивление ЛЭ1 в состоянии «0»; - внутреннее сопротивление диода в открытом состоянии.
Одновибратор на операционном усилителе. Устойчивое состояние одновибратора на операционном усилителе обеспечивается включением параллельно конденсатору диода VD (рис. 6.31). При отрицательном напряжении на выходе ( ) диод VD открыт |
|
Рис. 6.31 |
и напряжение на инвертирующем входе невелико: , где падение напряжения на диоде в открытом состоянии. На неинвертирующем входе напряжение также постоянное: , и так как , то на выходе поддерживается неизменное напряжение .
При подаче в момент времени входного импульса положительной полярности амплитудой напряжение на неинвертирующем входе становится больше напряжения на инвертирующем входе и выходное напряжение скачком становится равным . При этом также скачком увеличивается напряжение на неинвертирующем входе до . Одновременно диод VD закрывается, конденсатор начинает заряжаться и на инвертирующем входе растет положительное напряжение (рис. 6.32). Пока на выходе сохраняется напряжение . В момент времени при происходит изменение полярности выходного напряжения и напряжение на неинвертирующем входе принимает исходное значение, а напряжение начинает уменьшаться по мере разряда конденсатора .
Когда достигает значения , открывается диод VD, и на этом процесс изменения напряжения на инвертирующем входе прекращается. Схема оказывается в устойчивом состоянии. Длительность импульса, определяемая экспоненциальным процессом заряда конденсатора с постоянной времени от напряжения до , равна . |
|
Рис. 6.32 |
Так как , то .
Время восстановления схемы определяется длительностью процесса разряда конденсатора от до и с учетом принятых допущений .
Генераторы на операционных усилителях обеспечивают формирование импульсов амплитудой до десятков вольт; длительность фронтов зависит от полосы частот операционного усилителя и может составлять доли микросекунды.
Блокинг - генератором называется генератор импульсов релаксационного типа в виде однокаскадного усилителя с положительной обратной связью, создаваемой с помощью трансформатора. Блокинг-генератор может работать в ждущем и автоколебательном режимах.
Ждущий режим работы блокинг-генератора. При работе в ждущем режиме схема имеет одно устойчивое состояние и генерирует импульсы прямоугольной формы, когда на вход поступают запускающие импульсы. Устойчивое состояние блокинг-генератора на германиевом транзисторе осуществляется путем включения источника смещения в базовую цепь. При использовании кремниевого транзистора источник смещения не требуется, поскольку транзистор при нулевом напряжении на базе закрыт (рис. 6.33).
|
Положительная обратная связь в схеме проявляется в том, что при нарастании тока в первичной (коллекторной) обмотке трансформатора, т. е. коллекторного тока транзистора ( ), во вторичной (базовой) обмотке индуцируется напряжение такой полярности, что потенциал базы увеличивается. И, наоборот, при |
Рис. 6.33 |
базовое напряжение уменьшается. Такая связь реализуется путем соответствующего подключения начала обмоток трансформатора (на рис. 6.33, показаны точками).
В большинстве случаев трансформатор имеет третью (нагрузочную) обмотку, к которой подключается нагрузка .
Напряжения на обмотках трансформатора и токи, протекающие в них, связаны между собой следующим образом: , , , где , - коэффициенты трансформации; - число витков первичной, вторичной и нагрузочной обмоток соответственно.
Пренебрегая паразитными элементами импульсного трансформатора для определения условия самовозбуждения и расчета параметров импульсного процесса, заменим трансформатор индуктивностью намагничивания и пересчитаем сопротивления вторичной и нагрузочной обмоток в цепь первичной обмотки ; . Тогда коллекторный ток транзистора , где - ток намагничивания трансформатора; - приведенный ток базовой цепи; - приведенный ток нагрузки. Полученное соотношение называется уравнением токов блокинг-генератора.
Длительность процесса включения транзистора настолько мала, что за это время ток намагничивания практически не нарастает ( ). Поэтому уравнение токов при анализе переходного процесса включения транзистора упрощается: .
При подаче в момент времени на базу транзистора отпирающего импульса (рис. 6.34) происходит увеличение тока , транзистор переходит в активный режим и появляется коллекторный ток . Приращение коллекторного тока на величину приводит к увеличению напряжения на первичной обмотке трансформатора , последующему росту приведенного |
|
Рис. 6.34 |
тока базы и действительного тока, протекающего в цепи базы транзистора, .
Таким образом, первоначальное изменение тока базы в результате процессов, протекающих в схеме, приводит к дальнейшему изменению этого тока , и если , то процесс изменения токов и напряжений носит лавинообразный характер. Следовательно, условие самовозбуждения блокинг-генератора: .
В отсутствие нагрузки ( ) это условие упрощается: . Так как , то условие самовозбуждения в блокинг-генераторе выполняется довольно легко.
Процесс открывания транзистора, сопровождающийся формированием фронта импульса, заканчивается, когда он переходит в режим насыщения. При этом перестает выполняться условие самовозбуждения и в дальнейшем формируется вершина импульса. Так как транзистор насыщен: , то к первичной обмотке трансформатора оказывается приложенным напряжение и приведенные базовый ток , а также ток нагрузки , оказываются постоянными. Ток намагничивания при формировании вершины импульса может быть определен из уравнения , откуда при нулевых начальных условиях получим .
Таким образом, ток намагничивания в блокинг-генераторе, когда транзистор насыщен, нарастает во времени по линейному закону. В соответствии с уравнением токов также по линейному закону увеличивается коллекторный ток транзистора .
С течением времени степень насыщения транзистора уменьшается, так как базовый ток остается постоянным , а коллекторный ток нарастает. В некоторый момент времени коллекторный ток увеличивается настолько, что транзистор переходит из режима насыщения в активный режим и опять начинает выполняться условие самовозбуждения блокинг-генератора. Очевидно, что длительность вершины импульса определяется временем, в течение которого транзистор находится в режиме насыщения. Границе режима насыщения соответствует условие . Следовательно, .
Отсюда получаем формулу для расчета длительности вершины импульса
.
Ток намагничивания во время формирования вершины импульса увеличивается и в момент окончания этого процесса, т. е. при , достигает значения .
Так как к первичной обмотке импульсного трансформатора при формировании вершины импульса приложено напряжение источника питания , то амплитуда импульса на нагрузке .
При переходе транзистора в активный режим происходит уменьшение коллекторного тока . Во вторичной обмотке индуцируется напряжение, приводящее к уменьшению напряжения и тока базы, что, в свою очередь, вызывает дальнейшее снижение коллекторного тока. В схеме развивается регенеративный процесс, в результате которого транзистор переходит в режим отсечки и формируется срез импульса.
Протекающий лавинообразно процесс закрывания транзистора имеет столь малую длительность, что ток намагничивания за это время практически не изменяется и остается равным . Следовательно, к моменту закрывания транзистора в индуктивности запасена энергия . Эта энергия рассеивается только в нагрузке , так как коллекторная и базовая цепи закрытого транзистора оказываются разомкнутыми. Ток намагничивания при этом уменьшается по экспоненте: , где - постоянная времени. Протекающий через резистор ток создает обратный выброс напряжения на нем, амплитуда которого , что также сопровождается всплеском напряжения на базе и коллекторе закрытого транзистора . Воспользовавшись найденным ранее соотношением для , получим
,
.
Процесс рассеяния запасенной в импульсном трансформаторе энергии, определяющий время восстановления схемы , заканчивается через интервал времени , после чего схема переходит в исходное состояние. Дополнительный всплеск коллекторного напряжения может быть значительным. Поэтому в схеме блокинг-генератора принимаются меры к снижению величины , для чего параллельно нагрузке или в первичную обмотку включают демпфирующую цепь, состоящую из диода VD1 и резистора , сопротивление которого (рис. 6.33). При формировании импульса диод закрыт, так как к нему приложено напряжение обратной полярности, и демпфирующая цепь не оказывает влияния на процессы в схеме. Когда при закрывании транзистора в первичной обмотке возникает всплеск напряжения, то к диоду прикладывается прямое напряжение, он открывается и ток протекает через резистор . Так как , то всплеск коллекторного напряжения и обратный выброс напряжения на существенно уменьшаются. Однако при этом возрастает время восстановления: .
Не всегда последовательно с диодом включают резистор , и тогда амплитуда всплеска оказывается минимальной, но увеличивается его длительность.
При анализе процессов в блокинг-генераторе не учитывались паразитные параметры схемы, в частности суммарная емкость транзистора и импульсного трансформатора . Наличие этой емкости, во-первых, приводит к увеличению длительности фронта и среза импульса и, во-вторых, оказывает влияние на процесс восстановления схемы. В зависимости от сопротивления спад тока намагничивания с учетом емкости может носить либо колебательный, либо апериодический характер. При колебательном режиме возможно появление открывающего напряжения на базе транзистора и срабатывание схемы в отсутствие входного сигнала. Поэтому при расчете демпфирующей цепи исходят из условия обеспечения апериодического режима, которое имеет вид .
Автоколебательный режим работы блокинг-генератора. Для реализации автоколебательного режима работы блокинг-генератора в базовую цепь транзистора включают резисторно - емкостную цепь (рис. 6.35). Такая схема не имеет устойчивых состояний и обеспечивает генерирование периодически |
|
Рис. 6.35 |
повторяющихся прямоугольных импульсов. Процессы, протекающие в схеме, рассмотрим, начиная с момента времени , когда напряжение на конденсаторе достигает значения и транзистор откроется (рис. 6.36).
|
Как и при работе в ждущем режиме, в схеме развивается регенеративный процесс, в результате транзистор переходит в режим насыщения и начинается процесс формирования вершины импульса. При этом наряду с увеличением по линейному закону тока намагничивания протекает свойственный только автоколебательному режиму работы блокинг-генератора процесс заряда конденсатора базовым током насыщенного транзистора. |
Рис. 6.36 |
Поскольку напряжение на вторичной (базовой) обмотке во время формирования вершины импульса остается постоянным , то по мере заряда конденсатора базовый ток уменьшается по экспоненциальному закону , где - со- противление области база - эмиттер насыщенного транзистора; - постоянная времени.
В соответствии с уравнением токов коллекторный ток транзистора определяется выражением .
Из приведенных соотношений следует, что в автоколебательном блокинг-генераторе во время формирования вершины импульса изменяются и базовый и коллекторный токи. Как видно, базовый ток с течением времени уменьшается. Коллекторный ток в принципе может и нарастать, и уменьшаться. Все зависит от соотношения между первыми двумя слагаемыми последнего выражения. Но если даже коллекторный ток и уменьшается, то медленнее, чем базовый ток. Поэтому при уменьшении базового тока транзистора наступает момент времени , когда транзистор выходит из режима насыщения и процесс формирования вершины импульса заканчивается. Таким образом, длительность вершины импульса определяется соотношением . Тогда можно записать уравнение токов для момента окончания формирования вершины импульса
.
После некоторых преобразований имеем . Полученное трансцендентное уравнение можно упростить при условии . Воспользовавшись разложением в ряд экспоненты и ограничившись первыми двумя членами , получим формулу для расчета длительности вершины импульса , где .
Во время формирования вершины импульса за счет протекания базового тока транзистора напряжение на конденсаторе изменяется и к моменту закрывания транзистора оно становится равным . Подставив в это выражение значение и проинтегрировав, получим
.
При переходе транзистора в активный режим работы снова начинает выполняться условие самовозбуждения и в схеме протекает лавинообразный процесс его закрывания. Как и в ждущем блокинг-генераторе, после закрывания транзистора протекает процесс рассеяния запасенной в трансформаторе энергии, сопровождающийся появлением всплесков коллекторного и базового напряжений. После окончания этого процесса транзистор продолжает находиться в закрытом состоянии благодаря тому, что к базе прикладывается отрицательное напряжение заряженного конденсатора . Это напряжение не остается постоянным, поскольку в закрытом состоянии транзистора через конденсатор и резистор протекает ток перезаряда от источника питания . Поэтому по мере перезаряда конденсатора напряжение на базе транзистора увеличивается по экспоненциальному закону , где .
Когда напряжение на базе достигает значения , транзистор открывается и опять начинается процесс формирования импульса. Таким образом, длительность паузы , определяемая временем нахождения транзистора в закрытом состоянии, может быть рассчитана, если положить . Тогда получим . Для блокинг-генератора на германиевом транзисторе полученная формула упрощается, поскольку .
Блокинг-генераторы имеют высокий коэффициент полезного действия, так как в паузе между импульсами ток от источника питания практически не потребляется. По сравнению с мультивибраторами и одновибраторами они позволяют получить большую скважность и меньшую длительность импульсов. Важным достоинством блокинг-генераторов является возможность получения импульсов, амплитуда которых больше напряжения источника питания. Для этого достаточно, чтобы коэффициент трансформации третьей (нагрузочной) обмотки . В блокинг-генераторе при наличии нескольких нагрузочных обмоток можно осуществить гальваническую развязку между нагрузками и получать импульсы разной полярности.
Схема блокинг-генератора не реализуется в интегральном исполнении из-за наличия импульсного трансформатора.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Завадский, В. А. Компьютерная электроника / В. А. Завадский. - Киев: ТОО "ВЕК", 1996. - 362c.: ил. - (Компьютер. инженерия).
2. Лачин, В. И. Электроника: учеб. пособ. / В. И. Лачин, Н. С. Савелов. - Ростов н/Д: Феникс, 2004. - 576c.: ил.
3. Прянишников, В. А. Электроника: полный курс лекций / В. А. Прянишников. - СПб.: КОРОНА принт, 2004. - 416c.: ил. - (Учебник для высших и средних учебных заведений).
4. Опадчий, Ю. Ф. Аналоговая и цифровая электроника: учеб. для студ. вузов / Ю. П. Опадчий, О. П. Глудкин, А. И. Гуров; под ред. О. П. Глудкина. - М.: Горячая Линия-Телеком, 2000. - 768c.: ил.
5. Электропитание устройств связи: учеб. для вузов / Под ред. Ю. Д. Козляева. - М.: Радио и связь, 1998. - 328c.: ил.
6. Партала, О. Н. Цифровая электроника / О. Н. Партала. - СПб.: Наука и техника, 2000. - 208c.: ил. - (Радиомастер).
7. Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл. - М.: Мир, 2003. - 704c.: ил.
8. Алексенко, А. Г. Основы микросхемотехники / А. Г. Алексенко. - М.: Лаборатория Базовых Знаний: ФИЗМАТЛИТ: ЮНИМЕДИАСТАЙЛ, 2002. - 448c.: ил.
9. Электронные приборы и устройства на их основе: справ. книга / Ю. А. Быстров, С. А. Гамкрелидзе, Е. Б. Иссерлин, В. П. Черепанов; под ред. Ю. А. Быстрова. - М.: РадиоСофт, 2002. - 656c.: ил.
10. Фрике, К. Вводный курс цифровой электроники: учеб. пособие / К. Фрике; Пер. с нем. под ред. В. Я. Кремлева. - М.: Техносфера, 2003. - 432c.: ил. - (Мир электроники).
11. Браммер, Ю. А. Импульсные и цифровые устройства: учеб. для сред. спец. заведений / Ю. А. Браммер, И. Н. Пащук. - М.: Высш. шк., 1999.
12. Новиков, Ю. В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы методы проектирования / Ю. В. Новиков. - М.: Мир, 2001. - 379c.: ил. - (Современная схемотехника).
13. Миловзоров, О. В. Электроника: учеб. / О. В. Миловзоров, И. Г. Панков. - М.: Высш. шк., 2004. - 288c.: ил.
14. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства: учеб. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 496c.: ил.
Учебное издание
Ланских Анна Михайловна
ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Подписано в печать хх.хх.12. Печать цифровая. Бумага для офисной техники.
Усл. печ. л. Х,хх. Тираж хх экз. Заказ ххх.
«Вятский государственный университет» ПРИП ФГБОУ ВПО «ВятГУ» 610000, Киров, ул. Московская, 36 Тел.: (8332) 64-23-56, http://vyatsu.ru