Разновидности схем транзисторных генераторов пилообразного напряжения

На рис. 2,а приведена простейшая схема генератора пилообразного напряжения с зарядом конденсатора через резистор. В исходном состоянии транзистор VT1 открыт и насыщен. Поэтому напряжение на его коллекторе U_КЭ, а следовательно, и на конденсаторе С2, близко к нулю (рис. 2,б).

. (4)

С приходом на базу положительного запускающего импульса транзистор запирается, а конденсатор начинает заряжаться по цепи: 0, С2, R2, - Е_к с постоянной времени τ = R2*C2. Напряжение на конденсаторе, изменяясь по экспоненциальному закону, стремится к величине –Е_к

. (5)

а) б)

Рисунок 2

При t = t_р напряжение на выходе достигает наибольшего по абсолютной величине значения

. (6)

При амплитуда выходных импульсов составляет

. (7)

По окончании запускающего импульса транзистор VT1 отпирается и конденсатор С2 быстро через него разряжается. Т.к. внутреннее сопротивление открытого транзистора мало, постоянная времени разряда конденсатора оказывается меньше постоянной времени заряда.

Коэффициент нелинейности в схеме равен

. (8)

Для уменьшения коэффициента нелинейности приходится увеличивать напряжение питания E_к, которое может превысить максимально допустимое напряжение U_КЭmax. Для предотвращения пробоя транзистора к его коллектору подключается диод VD1, который фиксирует потенциал коллектора на уровне –Е_ф. Напряжение источника питания Е_ф выбирается так, чтобы

. (9)

Если отрицательное напряжение на коллекторе транзистора превысит -Е_ф, диод открывается и пропускает через себя ток, защищая транзистор от пробоя.

Одним из недостатков рассмотренной схемы является малая величина t_p/t₀. Устраняется он в схеме, приведенной на рис. 3.

Рисунок 3

В схеме используется дополнительная цепочка R3, VD1. Во время рабочего хода диод закрыт, и ток заряда конденсатора проходит через резистор R3. Конденсатор при этом заряжается с постоянной времени τ = (R2 + R3)*C2. Разряд конденсатора С2 осуществляется током транзистора, протекающим через открытый диод, который, имея незначительное сопротивление, шунтирует резистор R3. Если выбрать R3 >> R2, то можно, сохранив неизменной постоянную времени заряда для получения заданной длительности рабочего хода импульса t_p, уменьшить емкость С2 и тем самым значительно сократить постоянную времени разряда, а следовательно, и длительность обратного хода t₀.

На рис. 4,а приведена одна из наиболее высококачественных схем генераторов пилообразного напряжения с отрицательной обратной связью, которая позволяет получить линейно изменяющееся напряжение с коэффициентом нелинейности, равном единицам или даже десятым долям процента.

В исходном состоянии транзистор заперт небольшим положительным напряжением на базе , которое обеспечивается надлежащим выбором напряжения вспомогательного источника Е_Б, сопротивлений резисторов R1, R2 и внутреннего сопротивления открытого диода. При этом правая обкладка конденсатора С2 имеет отрицательный потенциал, близкий к –Е_к, а левая – положительный потенциал, равный потенциалу базы запертого транзистора.

Входной импульс отрицательной полярности длительностью t_и.вх, равной длительности рабочего хода t_р пилообразного напряжения (рис. 4,б), запирает диод. При этом транзистор отделяется от источника Е_Б, а база через резистор R1 от источника Ек приобретает некоторый отрицательный потенциал . Величина скачка напряжения на базе с приходом запускающего импульса составляет

. (10)

а) б)

Рисунок 4

Отрицательный скачок напряжения на базе через конденсатор С2 передается на коллектор, из-за чего на коллекторе напряжение понижается на такую же величину ΔU1.

После отпирания транзистора конденсатор С2 начинает разряжаться через резистор R1, источник Е_к и открытый транзистор VT1. Ток разряда конденсатора равен

. (11)

При разряде напряжение U_C на конденсаторе снижается. Однако при этом потенциал базы U_БЭ = U_C – U_КЭ становится более отрицательным, коллекторный ток увеличивается, а коллекторное напряжение U_КЭ по абсолютной величине уменьшается. Поэтому напряжение U_БЭ остается практически неизменным, а это означает, что величина тока разряда конденсатора I_p поддерживается неизменной. Таким образом, роль отрицательной обратной связи между коллектором и базой транзистора (через конденсатор С2) проявляется в том, что уменьшение тока разряда конденсатора вызывает противодействие схемы, препятствующее этому изменению. В результате можно считать, что разряд конденсатора осуществляется практически постоянным током

. (12)

Следствием разряда конденсатора в течение рабочего хода почти по линейному закону является почти линейное уменьшение напряжения на конденсаторе С2 и, соответственно, почти линейное возрастание напряжения U_КЭ, являющегося выходным напряжением генератора.

После окончания действия входного запирающего импульса диод открывается, а транзистор вновь запирается, и напряжения на коллекторе и базе постепенно достигают значений, соответствующих исходному состоянию.

Длительность рабочего хода t_р генерируемых пилообразных импульсов определяется длительностью входных импульсов; длительность обратного хода t₀ – временем заряда конденсатора С2

, (13)

где R_{д пр} – прямое сопротивление открытого диода.

Коэффициент нелинейности генератора с отрицательной обратной связью

. (14)

Практически схема, приведенная на рис. 4,а, позволяет получить ε = (0,5…5)% при коэффициенте использования напряжения источника питания ξ = 0,85…0,95; длительность рабочего хода соответствует микросекундному диапазону.