Импульсные и цифровые устройства

План лекции

1. Общие сведения.

2. Мультивибраторы.

3. Блокинг-генератор.

3.1. Принцип работы блокинг-генератора.

3.2. Порядок расчета блокинг-генератора.

4. Генераторы пилообразного напряжения.

4.1. Основные параметры генераторов пилообразного напряжения.

4.2. Разновидности схем транзисторных генераторов пилообразного напряжения.

5. Триггер на транзисторах.

Общие сведения.

Импульсная техника – раздел электроники, предметом которого является разработка теоретических основ, практических методов и технических средств генерирования, преобразования и измерения параметров электрических импульсов, а также исследование импульсных процессов в электрических цепях.

Наиболее часто в импульсных электронных устройствах используются импульсы прямоугольной (рис. 1,а), трапецеидальной (рис. 1,б), треугольной (рис. 1,в) и экспоненциальной (рис. 1,г) формы.

Рисунок 1

Импульсы, формы которых приведены на рис. 1,а…г, являются идеализированными. Форма реальных импульсов не является геометрически правильной из-за нелинейности характеристик полупроводниковых приборов и влияния реактивных сопротивлений в схемах. Поэтому реальные прямоугольные импульсы, наиболее часто используемые в практических импульсных схемах, имеют форму, приведенную на рис. 1,д. Участки быстрого нарастания и спада напряжения или тока называются фронтом и срезом импульса, а интервал, на котором напряжение или ток изменяются сравнительно медленно, - вершиной импульса.

Активные длительности фронта τ_фа и среза τ_са определяются между уровнями 0,1U_m и 0,9U_m, где U_m – амплитуда импульса. Активная длительность вершины τ_а оценивается на уровне 0,5U_m. Импульс, показанный на рисунке 1,д, имеет обратный выброс с амплитудой U_{m обр}. Кроме того, на его вершину наложены затухающие синусоидальные колебания, который, как правило, возникают из-за наличия в схеме паразитных колебательных цепей, образованных распределенными индуктивностями и емкостями.

Упрощенная форма реального прямоугольного импульса показана на рисунке 1,е. Спрямленные отрезки ab, bc, cd отображают соответственно фронт, вершину и срез импульса, а отрезки de и ef – нарастание и спад обратного импульса. Скорость нарастания напряжения или тока на рисунке 1,е характеризуется крутизной фронта импульса

, (1)

а убывание напряжения или тока на вершине относительным снижением

. (2)

Одним из важнейших показателей импульсных сигналов является длительность импульсов. Помимо указанного параметра τ_а, определяющего активную длительность вершины на уровне 0,5U_m, длительность импульса характеризует время t_и, определяемое либо на уровне 0,1U_m, либо по основанию импульса (рис. 1,е).

К основным параметрам импульсов относится период повторения импульсов Т – интервал времени между началом двух соседних однополярных импульсов. Величину, обратную периоду повторения, называют частотой следования импульсов f. Часть периода Т занимает пауза t_п – отрезок времени между окончанием и началом двух соседних импульсов t_п = T – t_и.

Отношение длительности импульса к периоду повторения называется коэффициентом заполнения

. (3)

Величина, обратная коэффициенту заполнения, называется скважностью импульсов

. (4)

Качество работы импульсных устройств во многом определяется временем восстановления импульса t_вос (рис. 1,е). Чем меньше t_вос, тем надежнее работает схема, тем выше ее быстродействие.

Мультивибраторы

Одним из наиболее распространенных генераторов импульсов прямоугольной формы является мультивибратор, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. Одна из наиболее простых и типичных схем мультивибратора приведена на рис. 2. Элементы схемы подобраны так, чтобы обеспечить идентичность каждого из усилительных каскадов, собранных на однотипных транзисторах VТ1, VT2. При R1 = R4, R2 = R3, C1 = C2 и одинаковых параметрах транзистора мультивибратор называется симметричным.

Рисунок 2

Т.к. идеальной симметрии схемы практически невозможно, то любая, даже самая незначительная асимметрия мгновенно приведет к тому, что один из транзисторов закроется, а другой будет открыт и доведен до режима насыщения. Допустим, что по тем или иным причинам ток коллектора транзистора VT2 оказался несколько больше коллекторного тока транзистора VT1. Это приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R4 и снижению отрицательного потенциала на коллекторе VT2. Через конденсатор С2 изменение потенциала коллектора транзистора VT2 передается на базу транзистора VT1. Это приведет к уменьшению тока коллектора транзистора VT1 и к увеличению отрицательного потенциала на его коллекторе. Через С1 изменение потенциала коллектора транзистора VT1 передается на базу транзистора VT2, что вызывает дополнительное увеличение тока коллектора этого транзистора. Далее процесс повторяется, и в конечном итоге транзистор VT2 полностью откроется и войдет в режим насыщения, а транзистор VT1 закроется. Этот процесс протекает лавинообразно.

В режиме запирания транзистора VT1 конденсатор С1 заряжается по цепи: 0, участок эмиттер – база открытого транзистора VT2, С1, R1, -Eк. В то же время конденсатор С2 разряжается через открытый транзистор VT2 и резистор R3.

Переключение схемы из одного состояния в другое зависит от скорости заряда и разряда конденсаторов. По мере заряда конденсатора С1 положительный потенциал точки А все более нарастает, а по мере разряда конденсатора С2 положительный потенциал точки В все более снижается. В связи с этим потенциал базы транзистора VT2 постепенно повышается, а потенциал базы транзистора VT1 снижается. В определенный момент времени транзистор VT1 отопрется, начнется лавинообразный процесс нарастания тока этого транзистора, а транзистор VT2 запрется. Этот процесс переключения повторяется. Таким образом, транзисторы в мультивибраторе по очереди находятся или в режиме отсечки тока или в режиме насыщения и с каждого коллектора можно снять прямоугольные импульсы с амплитудой, почти равной величине напряжения питания источника. Схема будет генерировать импульсы (режим самовозбуждения). Такой режим называется автоколебательным.

На рис. 3 приведены временные диаграммы токов, протекающих в транзисторах, и напряжений на коллекторах и базах транзисторов. Исходный момент t₀ соответствует тому случаю, когда транзистор VT1 заперт, а транзистор VT2 открыт. Моменты t₁, t₂, t₃ соответствуют переключению схемы.

Приведенная на рис. 2 схема получила название схемы с коллекторно-базовыми емкостными связями.

Рисунок 3

При расчете мультивибратора в автоколебательном режиме должны быть заданы: период следования импульсов Т; длительность импульсов t_и; амплитуда импульсов U_m; длительность фронта τ_ф; длительность среза τ_с; время восстановления t_вос; температура окружающей среды t_окр (или допустимая температурная нестабильность мультивибратора σ_Т в заданном диапазоне изменения температуры).

В результате расчета необходимо выбрать тип транзисторов и определить параметры элементов схемы.

1) Определяем напряжение источника питания

. (5)

Если напряжение источника питания задано и значительно превышает амплитуду импульсов U_m, то можно расчет мультивибратора вести на бо́льшую амплитуду, чем задано, а импульсы снимать с помощью делителя напряжения в коллекторной цепи одного из транзисторов, как показано на рис. 4.

Рисунок 4

2) Выбираем тип транзисторов, параметры которых удовлетворяют условиям:

, (6)

, (7)

где U_КБmax – максимально допустимое постоянное напряжение коллектор – база для выбранного типа транзистора;

f_h21э – предельная частота коэффициента передачи тока биполярного транзистора.

Если мультивибратор работает при повышенных температурах или от него требуется высокая температурная стабильность (σ_Т < 5%), то выбирают кремниевые транзисторы; если допустимое значение σ_Т > 5% - германиевые транзисторы.

При выборе транзисторов по их частотным свойствам, можно, кроме соотношения (7), руководствоваться следующими рекомендациями: если заданная длительность фронта τ_ф не меньше (0,2 … ),5)мкс, то могут быть использованы низкочастотные транзисторы; если же τ_ф < (0,2 … 0,5)мкс – следует выбрать высокочастотные транзисторы.

3) Находим сопротивления резисторов R1 = R4 = Rк. При этом необходимо выполнить условие

, (8)

где I_Киmax – максимально допустимый импульсный ток коллектора;

I_{КБ 0} – обратный ток транзистора.

Как правило, для маломощных транзисторов R_к выбирают не менее (0,5 … 1) кОм, а для мощных – не менее (200 … 300) Ом.

4) Находим сопротивление резисторов R2 = R3 = R_Б

, (9)

где h_21э – коэффициент передачи тока;

К_нас – коэффициент насыщения транзистора.

Коэффициент насыщения определяется из соотношения

. (10)

При К_нас < 1 транзистор работает в ненасыщенном режиме, при К_нас = 1 находится на грани насыщения, при К_нас > 1 – в режиме насыщения.

Для обеспечения режима открытого транзистора при неглубоком насыщении выбирают К_нас = 1…4.

В некоторых схемах симметричных мультивибраторов для регулировки периода автоколебаний в цепь баз транзисторов включают источник регулируемого напряжения (Е_Б на рис. 5). Формула для определения периода генерируемых импульсов

, (11)

где R_Б = R2 = R3; С = С1 = С2;

U_{Б m} – часть напряжения, которая передается с коллекторов в цепи баз.

Рисунок 5

5) Определяем емкости конденсаторов С1 и С2. Для симметричного мультивибратора

. (12)

Для несимметричного мультивибратора

; (13)

. (14)

6) Находим время восстановления схемы

. (15)

Как видно, для уменьшения t_вос, т.е. для улучшения формы генерируемых импульсов, следует уменьшать величины R_K и С. Однако с уменьшением емкости С уменьшаются длительность импульса и период колебаний. Для предотвращения этого необходимо увеличивать сопротивление резисторов R_Б, но при этом ухудшается термостабильность схемы. Уменьшение R_K также нецелесообразно, так как это приводит к увеличению тока насыщения транзистора и уменьшению перепада напряжения на коллекторе, что может нарушить самовозбуждение схемы. Поэтому, если полученное значение I_вос оказалось больше заданного, в схему мультивибратора следует внести изменения. На рис. 6,а показана схема симметричного мультивибратора с корректирующими диодами.

а) б)

Рисунок 6

В схеме ток заряда конденсаторов связи С1 и С2 замыкается не через коллекторные резисторы R1 и R4, а через вспомогательные резисторы R5, R6, что обеспечивается включением диодов VD1, VD2. Диоды не препятствуют развитию лавинообразных процессов нарастания и спадания токов транзисторов, но позволяют уменьшить постоянную времени заряда конденсаторов С1 и С2. Благодаря этому напряжение на коллекторе запертого транзистора после опрокидывания схемы устанавливается близким к –Ек намного быстрее (рис. 6,б), чем в основной схеме мультивибратора.

Блокинг-генератор