Характеристики импульсных сигналов. На практике могут использоваться импульсы тока и напряжения различной формы: прямоугольные, экспоненциальные

На практике могут использоваться импульсы тока и напряжения различной формы: прямоугольные, экспоненциальные, колоколообразные, пилооборазные, трапецеидальные и др. Их называют видеоимпульсами в отличие от радиоимпульсов представляющих собой пакеты высокочастотных колебаний. В импульсной и цифровой технике используются, главным образом, видеоимпульсы.

Основными параметрами последовательности импульсов являются амплитуда импульса U_m, длительность импульса t_u , длительность паузы t_n и период Т или частота следования. Параметр называется скважностью, — коэффициентом заполнения. В промышленных импульсных схемах значения скважности обычно находятся в пределах 2–10, но в некоторых преобразователях (например, в радиолокации) достигают значения 10⁴. На рис. 4.1. отображены параметры прямоугольных импульсов.

В общем виде импульс имеет конечное время фронта и среза — рис. 4.2. Длительностью фронта принято считать интервал t_ф, на котором амплитуда импульса возрастает от 0,1 до 0,9 максимального значения. Аналогично определяется длительность среза (спада). При этом за длительность импульса t_и берут его значение на уровне 0,5 U_m. Падение амплитуды импульса DU называется спадом вершины. Длительность фронта и среза обычно составляет доли — единицы процентов от длительности импульса, чем она меньше, тем меньше форма импульса отличается от прямоугольной.

Носителем информации в импульсной технике может быть длительность импульса (при время-импульсном представлении информации) или число импульсов (при число-импульсном представлении). В цифровой электронике используются импульсы прямоугольной формы, имеющие только два фиксированных уровня напряжения. Это позволяет представить сигналы в цифровом виде при помощи символов «0» или «1». Цифровая форма представления сигнала упрощает его обработку и позволяет использовать специальный математический аппарат — алгебру логики.

Электронные ключи

Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый транзистор, диод, тиристор), работающий в ключевом режиме. Ключевой режим характеризуется наличием только двух стабильных состояний: «включено» - «выключено». В идеальном ключе, а такой можно реализовать при помощи замыкаемого электрического контакта — рис.4.3., в разомкнутом состоянии i = 0; U_вых = Е, а в замкнутом — i = E/R; U_вых = 0. Это значит, что сопротивление разомкнутого ключа бесконечно велико, а замкнутого равно нулю. При этом переход из одного состояния в другое происходит мгновенно.

В реальных ключах ток и напряжение в состояниях «включено» и «выключено» зависят от схемы и типа используемых активных элементов, а переход из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а в течение определенного времени, определяемого электрической инерционностью элемента.

Наиболее часто в цифровой электронике используются транзисторные ключи. На рис.4.4 приведена схема широко используемого ключа на биполярном транзисторе по схеме ОЭ (а) и графики выходных коллекторных характеристик, совмещенных с линией нагрузки АВ (б). Линия нагрузки проводится по двум точкам с координатами и , так же, как для усилительного каскада.

Для обеспечения режима запирания на базу транзистора подается положительное (для p-n-p транзистора) смещение от специального источника смещения Е_см через резистор R_см. При этом входной сигнал U_вх отсутствует. В режиме запирания через резистор R_к, протекает незначительный обратный (тепловой) ток I_ко. Напряжение на коллекторе незначительно отличается от напряжения коллекторного питания:

Этому режиму соответствует точка M₃ на линии нагрузки. Малое значение I_ко — один из критериев выбора транзистора для работы в ключе. Величину резистора в цепи смещения при заданном Е_см выбирают из расчета компенсации обратного тока при максимальной температуре и возможного отрицательного напряжения на входе

Режим открытого состояния достигается подачей входного напряжения отрицательной полярности, величина которого достаточна для создания такого базового тока, который приведет к полному открыванию транзистора. Обычно источником входного сигнала является коллектор аналогичного ключа в закрытом состоянии. Входной ток — должен быть такой величины, чтобы компенсировать положительное смещение и открыть транзистор до насыщения

где b — коэффициент усиления по току в схеме ОЭ, a S — коэффициент запаса по насыщению (S = 1,5–3). Сильное насыщение увеличивает скорость открывания транзистора, но уменьшает скорость закрывания. В режимах насыщения напряжение на коллекторе незначительно — так называемое остаточное напряжение U_ост, а ток максимален и ограничивается коллекторным сопротивлением

Открытому состоянию соответствует точка М_о на линии нагрузки.

Динамические параметры ключа характеризуются длительностью фронта t_a, длительностью среза t_c и временем задержки закрывания (временем релаксации) t_p, сильно зависящим от степени насыщения. Величины этих параметров зависят от типа транзистора и величины входного тока и находятся в пределах от долей до единиц мкс.

Кремниевые маломощные транзисторы имеют очень малое значение I_кo, поэтому иногда ключи реализуют без использования цепи смещения. В этом случае запирание транзистора осуществляют нулевым напряжением U_бэ, для этого между базой и эмиттером ставится резистор, величина которого должна быть достаточно мала.

Для повышения быстродействия ключа применяют ускоряющий конденсатор, шунтирующий входной резистор R_б. Ток перезаряда конденсатора во время переходных процессов ускоряет открывание и закрывание ключа. Величина емкости ускоряющего конденсатора выбирается из соотношения

где — постоянная времени переходного процесса в транзисторе с ОЭ; f_b — верхняя граничная частота транзистора.

Существуют и другие методы повышения быстродействия ключей: устранение насыщения с помощью фиксирующего диода или нелинейной обратной связи коллектор — база.