Генерування пилкоподібних імпульсів

ГЕНЕРАТОРИ ЛІНІЙНО-ЗМІННОЇ НАПРУГИ

Генератори лінійно-змінної напруги (ГЛЗН), тобто напруги, що зростає пропорційно часу, знаходять широке застосування в радіоелектронних приладах. Вони використовуються, наприклад, у осцилографах для створення горизонтальної розгортки електронного променя. Такі періодичні імпульси лінійно-змінної напруги мають вигляд зубців пилки, тому подібні імпульси називають пилкоподібними (рис.7.1).

Створити імпульси за формою близькою до пилкоподібних можна за допомогою найпростішої схеми, зображеної на рис.7.2а. Короткий позитивний прямокутний імпульс (1) відкриває транзистор, який постійно утримується в закритому стані негативною напругою . Цим імпульсом ємність повністю розряджається через відкритий транзистор. Після закінчення імпульсу (1) транзистор закривається, і ємність починає поволі заряджатися через опір від джерела за законом

(7.1)

Для досить малих проміжків часу експоненту можна розкласти в ряд, зберігаючи лише перші члени

(7.2)

Отже, обірвавши процес заряджання досить рано, при , можна одержати майже лінійне зростання напруги у часі, але ціною неповного використання напруги та мализни . Мірою відхилення закону зміни від лінійного є другий член у дужках виразу (7.2), який називають коефіцієнтом нелінійності .

Покращити форму імпульсів та наблизити їх до дійсно пилкоподібних можна застосувавши замість резистора деякий нелінійний опір, струм якого слабко залежить (в певних межах) від спаду напруги на цьому опорі, тобто елемент з великим диференціальним опором . Тоді струм, що заряджає ємність , буде майже незмінним і напруга на ній зростатиме пропорційно до часу

А коефіцієнт нелінійності дорівнюватиме . Таким нелінійним опором може бути транзистор, увімкнений за схемою зі спільною базою, або струмове дзеркало.

7.2. ГЛЗН з позитивним зворотним зв’язком

Недоліком розглянутої вище схеми ГЛЗН є недостатня лінійність та порівняно вузькі межі вихідної напруги, у яких ця лінійність може вважатися задовільною. Тому для покращання лінійності генерованих імпульсів застосовуються спеціальні схеми зі зворотним зв’язком, наприклад, схема з позитивним зворотним зв’язком. Ідею роботи такої схеми можна зрозуміти з рис.7.3.

Ця схема подібна до попередньої, тільки тепер заряджання ємності відбувається від джерела постійної напруги та послідовно увімкненого з ним джерела змінної напруги , яке повторює величину напруги на ємності . Тепер при зростання напруги настільки ж зростає і напруга, що його заряджає. Спад напруги на опорі підтримується незмінним і рівним , отже і струм , що через нього буде текти та заряджати ємність , буде також зберігатися незмінним.

Реальна схема, що працює за цим принципом, зображена на рис.7.4.

У початковому стані транзистор , що виконує роль ключа, відкритий і знаходиться у насиченому стані. Комутуючий діод відкритий. Початкова напруга на конденсаторі мала, так само як і вхідна і вихідна напруга емітерного повторювача, складеного на транзисторі . Конденсатор має велику ємність і заряджений майже до напруги через діод .

При поданні на вхід схеми негативного керуючого імпульсу тривалістю транзистор закривається, і конденсатор починає заряджатися від джерела через резистор і діод . Напруга на виході емітерного повторювача починає відповідно зростати. Ця зміна через ємність передається в точку «б», потенціал якої є сума напруг . В міру заряджання конденсатора потенціал точки «б» за абсолютною величиною стає більшим від , діод закривається, і конденсатор продовжує заряджатися через резистор вже від вихідної напруги емітерного повторювача та конденсатора , який завдяки своїй великій ємності працює просто як гальванічна батарея з ерс близької до .

При цьому зарядний струм зберігається майже незмінним, бо наскільки зростає напруга , настільки ж збільшується напруга . Це забезпечується тим, що коефіцієнт передачі емітерного повторювача близький до одиниці.

Коли ж напруга та наближатимуться до , колекторно-емітерна напруга живлення транзистора стає настільки малою, що емітерний повторювач перестає нормально функціонувати, і лінійність зростання порушується. На цьому процес створення лінійно-зростаючого імпульсу слід припинити, що і обумовлює потрібну тривалість вхідного керуючого імпульсу .

По закінченню вхідного імпульсу починається стадія відновлення, протягом якої конденсатор розряджається через відкритий транзистор . Наприкінці цього розряду діод відкривається і починається дозарядження конденсатора від джерела через діод та резистор . Після відновлення заряду на схема набуває свій попередній стан і готова до генерації наступного імпульсу.

Для кількісного аналізу роботи даної схеми ГЛЗН складемо вираз для зарядного струму ємності

[1])

Звідси низкою нескладних перетворень одержуємо диференціальне рівняння для

Його розв’язком буде

Одержаний вираз подібний до (7.1). Тільки тепер стала часу буде у разів більшою від попередньої. У стільки ж разів збільшується начебто і напруга, яка заряджає ємність . В результаті при тій же коефіцієнт нелінійності буде в разів меншим від попереднього. Так, наприклад, якщо взяти як типове для емітерного повторювача значення , то лінійність покращується в 20 разів.