Глава 11. ФОРМИРОВАТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ
ВИДЫ ГЕНЕРАТОРОВ -ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ И ИХ ОСОБЕННОСТИ
В § 9.3 рассмотрены процессы формирования импульсов линейными RС-цепями: дифференцирующей и интегрирующей. Однако параметры полученных при этом импульсов (длительность, амплитуда, крутизна фронта и среза) часто не удовлетворяют практическим требованиям. Кроме того, на входы таких цепей необходимо подавать импульсы с вполне определенными параметрами.
Задача формирования электрических импульсов и других видов сигналов решается с помощью специальных формирователей или генераторов, относящихся к классу нелинейных устройств.
Для создания электрических импульсов служат импульсные генераторы. Они широко применяются в радиолокации, радиосвязи, телевидении, вычислительной технике и т. д. Длительность генерируемых импульсов может составлять от единиц наносекунд до сотен миллисекунд при скважности от двух до десятков и сотен тысяч. По способу возбуждения различают импульсные генераторы с самовозбуждением (автоколебательные), внешним, или посторонним возбуждением и генераторы, работающие в ждущем, или заторможенном режиме.
Ждущие импульсные генераторы отличаются от импульсных генераторов с внешним возбуждением тем, что параметры импульсов, генерируемых ждущими генераторами, практически не зависят от формы внешних (запускающих) импульсов.
Для выполнения условия самовозбуждения в генераторе создается цепь положительной обратной связи. Для обеспечения работы в ждущем режиме применяются специальные схемотехнические меры, вследствие чего цепь ПОС начинает действовать только после подачи на вход генератора запускающего импульса.
Отличительной особенностью большинства генераторов импульсов является наличие двух устойчивых состояний равновесия. Переход из одного устойчивого состояния в другое осуществляется не плавно, а скачкообразно и имеет лавинообразный характер в начальной стадии. Такой процесс называется регенеративным, а устройства, работа которых основана на использовании этого процесса,— регенеративными. Регенеративные устройства позволяют генерировать прямоугольные импульсы с высокой крутизной фронта и среза и формировать перепады напряжений и токов.
Все регенеративные генераторы можно подразделить на две группы:
спусковые устройства, или триггеры, которые не содержат реактивных элементов, и переход из одного устойчивого состояния в другое происходит под воздействием управляющего напряжения;
релаксационные генераторы импульсов, содержащие не менее одного реактивного элемента (обычно конденсатор), выполняющего роль накопителя энергии. В таких генераторах регенеративные (лавинообразные) процессы чередуются с релаксационными, т. е. относительно медленными изменениями энергии накопителя. Разновидностями релаксационных регенеративных генераторов импульсов являются мультивибраторы, одновибраторы, блокинг-генераторы, фантастронные генераторы.
В настоящее время получили широкое распространение генераторы импульсов на ИМС — операционных усилителях и логических элементах, что обусловлено простотой осуществления в этих ИМС положительной обратной связи.
МУЛЬТИВИБРАТОРЫ
Мультивибраторы применяются для генерирования прямоугольных импульсов в тех случаях, когда нет жестких требований ких длительности и частоте повторения.
Мультивибраторы на дискретных элементах.Схема простейшего автоколебательного мультивибратора на транзисторах приведена на рис. 11.1,а. Он представляет собой двухкаскадный усилитель с положительной ОС, замкнутый в кольцевую схему: выход первого усилителя соединен со входом второго, а выход второго — со входом первого. Если Rк1 = Rк2, Rб1 = Rб2 и С1 = С2,то мультивибратор называют симметричным.
Рис. 11.1. Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми связями (а) и
графики напряжений на электродах транзисторов (б)
При подключении источника питания токи проходят через оба транзистора VT1 и VT2. Одновременно начинается зарядка конденсаторов С1 и С2. Напряжения на конденсаторах иС1 и иС2 нарастают по экспоненциальному закону.
По мере увеличения коллекторных токов транзисторов повышаются и коэффициенты усиления плеч (т. е. первого и второго усилительных каскадов) мультивибратора. Пока βК < 1 (β — коэффициент передачи цепи положительной ОС; К — коэффициент усиления), происходит увеличение коллекторных токов обоих транзисторов и увеличение напряжений иС1 и иС2. Мультивибратор работает как двухкаскадный усилитель с положительной ОС.
Вследствие даже незначительной асимметрии плеч мультивибратора, вызванной разбросом параметров транзисторов, резисторов и конденсаторов, коллекторный ток одного транзистора окажется больше по сравнению с коллекторным током другого транзистора. При βК > 1 это приведет к возникновению регенеративного процесса. Действительно, пусть коллекторный ток IК1 транзистора VT1 будет больше коллекторного тока IК2 транзистора VT2. Это вызовет уменьшение коллекторного напряжения транзистора VT1, которое передается через конденсатор С1 на базу транзистора VT2 и приводит к уменьшению коллекторного тока IК2 этого транзистора. Уменьшение тока IК2 сопровождается увеличением коллекторного напряжения транзистора VT2, которое через конденсатор С2 передается на базу транзистора VT1 и приводит к еще большему увеличению коллекторного тока IК1, уменьшению коллекторного напряжения транзистора VT1 и т. д.
Рассмотренный процесс можно более кратко представить в виде такой символической записи:
Процесс увеличения коллекторного тока IК1 и уменьшения коллекторного тока IК2вследствие действия положительной ОС носит лавинообразный характер и заканчивается переходом транзистора VT1 в режим насыщения, а транзистора VT2 — в режим отсечки.
При открытом и насыщенном транзисторе VT1 конденсатор С1 оказывается подключенным через малое сопротивление rКЭ1 между базой и эмиттером транзистора VT2. При этом отрицательное напряжение иБЭ2= –– иС1 поддерживает транзистор VT2 в закрытом состоянии. В таком состоянии, которое называется временно устойчивым или квазиравновесным, мультивибратор будет находиться в течение времени, определяемого перезарядкой конденсатора С1 по цепи:
+ Еп → Rб2 → С1 → коллектор — эмиттер VT1 → — Еп.
В это же время происходит зарядка конденсатора С2 по цепи:
+ Еп → Rк2 → С2 → база — эмиттер VT1 → — Еп.
Обычно элементы Rк и Rб выбирают так, чтобы процесс зарядки конденсатора протекал быстрее, чем процесс их перезарядки. Поэтому конденсатор С2 успеет зарядиться до значения коллекторного напряжения закрытого транзистора VT2, которое примерно равно + Еп. После окончания зарядки С2 транзистор VT1 будет удерживаться в режиме насыщения за счет протекания тока базы IБ1 = IБ нас = Eп / Rб1.
По мере перезарядки конденсатора C1 напряжение иС1 увеличивается и в некоторый момент достигает нулевого значения. С этого момента транзистор VT2 начнет открываться, его коллекторное напряжение иКЭ2уменьшается и в мультивибраторе замыкается цепь ПОС, вызывающая лавинообразный процесс изменений токов и напряжений:
Этот процесс заканчивается запиранием транзистора VT1 и переходом в режим насыщения транзистора VT2.
Мультивибратор переходит во второе квазиустойчивое состояние равновесия, в котором начинается зарядка конденсатора CJ по цепи:
и перезарядка конденсатора С2 по цепи:
Транзистор VT1 будет поддерживаться в закрытом состоянии напряжением uC2,которое подключается через малое сопротивление rКЭ2 между его базой и эмиттером минусом к базе. Такое квазиустойчивоё состояние будет сохраняться до тех пор, пока напряжение иС2 не достигнет нулевого значения. С этого момента начнет развиваться новый лавинообразный процесс изменений токов и напряжений, который приведет к отпиранию транзистора VT1 и запиранию VT2.
Графики изменений коллекторных и базовых напряжений мультивибратора показаны на рис. 11.1, б.
Время закрытого состояния транзистора VT1 или длительность положительного импульса, снимаемого с выхода 1, определяется перезарядкой конденсатора С2 и рассчитывается по приближенной формуле:
(11.1)
Аналогично
(11.2)
Период повторения
(11.3)
В симметричном мультивибраторе при С1 = С2 = С
иRб1=Rб2=R
.
Мультивибратор, схема которого показана на рис. 11.1, а, называют мультивибратором с коллекторно-базовыми связями и положительной базой. Если резисторы Rб1 и Rб2 включить между базами транзисторов и отрицательным полюсом источника Еп,то получится мультивибратор с коллекторно-базовыми связями и нулевой базой. Он обладает меньшей стабильностью длительности и периода повторения импульсов.
Для улучшения формы импульсов в мультивибратор вводят фиксирующие (рис. 11.2, а)или отсекающие (рис. 11.2, 6)диоды. В мультивибраторе с фиксирующими диодами
Рис. 11.2. Схемы мультивибраторов с коллекторно-базовыми связями с фиксирующими (а) и отсекающими (б) диодами
коллекторное напряжение увеличивается не до уровня Еп, а до уровня Еф < Еп. При UКЭ = Еф соответствующий диод открывается и коллекторное напряжение фиксируется на этом уровне. Этим достигается уменьшение длительности фронта выходных импульсов.
Отсекающие диоды отключают закрывшийся транзистор от цепи зарядки конденсатора С1 или С2. Поэтому коллекторное напряжение оказывается не зависящим от напряжения на подключенном к нему конденсаторе, что приводит к увеличению крутизны фронта и среза импульсов.
Мультивибраторына ИМС.Мультивибраторы, в которых используется рассмотренный принцим работы, выпускаются и в интегральном исполнении (например, К119ГГ1, КР119ГГ1). Недостатком интегральных мультивибраторов является потребность в конденсаторах большой емкости, которые трудно изготавливать. Поэтому в таких мультивибраторах используются навесные конденсаторы, подключаемые к соответствующим выводам ИМС.
Каждое плечо мультивибратора можно рассматривать как транзисторный ключ или логический элемент И — НЕ. Это позволяет выполнять мультивибраторы на базе логических элементов.
Мультивибратор на двухвходовых ЛЭ И — НЕ (рис. 11.3) работает следующим образом.
Рис. 11.3. Схема мультивибратора на логических элементах И — НЕ
Предположим, что ЛЭ1 закрыт, а ЛЭ2 открыт. Тогда на выходе 1 высокий уровень напряжения (логическая единица) и конденсатор С1 заряжается через резистор R2. Напряжение uR2,создаваемое на резисторе R2,поддерживает ЛЭ2 в открытом состоянии до тех пор, пока uR2 > U1пор. Пока идет зарядка конденсатора С1, конденсатор С2 успевает практически полностью разрядиться через выходное сопротивление R0вых открытого ЛЭ2 и диод VD1.
Когда напряжение на резисторе R2 достигнет порогового, ЛЭ2 начнет закрываться. Увеличение напряжения на выходе 2 через конденсатор С2 будет передано на вход ЛЭ1 и вызовет его отпирание. При этом произойдет уменьшение напряжения на выходе 1, которое через конденсатор С1 будет передано на вход ЛЭ2 и приведет к дальнейшему уменьшению протекающего через него тока. Таким образом, замыкается петля положительной ОС и происходит «опрокидывание» (т. е. переход из одного квазиравновесного состояния в другое) мультивибратора. После опрокидывания ЛЭ1 окажется открытым, а ЛЭ2 — закрытым. Начнется зарядка конденсатора С2 и разрядка конденсатора С1.
На рис. 11.4, а приведена схема мультивибратора на операционном усилителе (ОУ). Рассмотрим его работу.
Рис. 11.4. Схема мультивибратора на ОУ (а) и графики изменений напряжений на конденсаторе и выходе мультивибратора (б)
В момент подключения мультивибратора к источникам питания иС = U(–)вх= 0, а состояние ОУ является неопределенным. Предположим, что в этот момент ивых = = Uвых mах. Следовательно, на неинвертирующем входе ОУ действует положительное напряжение U(+)вх mах = Uвых mах • R1 / (R1 + R2),а конденсатор С заряжается через резистор R3. При увеличении напряжения на конденсаторе до значения, близкого к U(+)вх mах, ОУ выходит из режима насыщения, вступает в действие положительная ОС и начинается лавинообразный процесс переключения («опрокидывания»), в результате которого на выходе ОУ устанавливается минимальный нижний уровень напряжения ивых = Uвых min, и напряжение на неинвертирующем входе принимает значение U(+)вх min = Uвых min • R1 / (R1 + R2). Конденсатор С начинает перезаряжаться через резистор R3. При уменьшении напряжения иС до значения, близкого к U(+)вх min происходит «обратное опрокидывание» и т. д.
Графики выходного напряжения и напряжения на конденсаторе, иллюстрирующие работу мультивибратора, показаны на рис. 11.4, б.
ОДНОВИБРАТОРЫ
Одновибраторы используются для получения прямоугольных импульсов напряжения большой длительности (от десятков микросекунд до сотен миллисекунд), в качестве устройств задержки, делителей частоты и для других целей.
Одновибратор обладает одним устойчивым состоянием, в котором может находиться сколь угодно долго, пока к нему не будет приложено внешнее напряжение, переводящее его в квазиустойчивое состояние. Переход из квазиустойчивого состояния в устойчивое осуществляется в одновибраторе самостоятельно.
Одновибраторы на дискретных элементах.Одновибратор можно получить из автоколебательного мультивибратора, если одно из его квазиустойчивых состояний превратить в устойчивое. На рис. 11.5, а показана схема
Рис. 11.5. Схема одновибратора на БТ с коллскторно-базовыми связями (а) и
графики напряжений на электродах транзисторов (б)
одновибратора с коллекторно-базовыми связями, а на рис. 11,5,б временные диаграммы напряжений, поясняющие его работу.
Резисторы R1, R2 и Rк2 выбираются такими, что напряжение между базой и эмиттером транзистора VT1 оказывается отрицательным. Поэтому в исходном состоянии этот транзистор закрыт. На базу транзистора VT2 через резистор Rб подается положительное напряжение. Транзистор VT2 вследствие этого открыт и насыщен.
Входной отрицательный импульс через разделительную цепь CpRpи отсекающий диод VD1 подается на базу транзистора VT2. Ввиду накопленных в базе зарядов неосновных носителей транзистор VT2 не может сразу закрыться, и начинается процесс рассасывания неосновных носителей. Через время tрас транзистор VT2 окажется на границе режима насыщения и под действием отрицательного входного импульса, приложенного к базе VT2, коллекторный ток транзистора VT2 начнет уменьшаться, а коллекторное напряжение иКЭ2— увеличиваться. Увеличение напряжения иКЭ2 через делитель R2R1 передается на базу транзистора VT1. Чтобы увеличить коэффициент передачи делителя, не нарушая исходного состояния, резистор R2 можно шунтировать конденсатором Су небольшой емкости, который называется ускоряющим.
Под действием ПОС, приводящей к лавинообразному процессу изменений токов и напряжений транзисторов:
транзистор VT2 запирается, а транзистор VI'1 отпирается и переходит в режим насыщения. Наступает квазиустойчивое состояние равновесия.
После отпирания транзистора VT1 конденсатор С оказывается включенным между базой и эмиттером транзистора VT2, причем иБЭ2 = — иС. Начинается перезарядка конденсатора С по цепи: + Еп → Rб → C → VT1 → — Еп. Перезарядка сопровождается уменьшением отрицательного напряжения на конденсаторе и на базе транзистора VT2. При этом напряжение иКЭ1 ≈ 0, а иКЭ2 ≈ Еп– (Еп + Eб)Rк2 / (R1+ + R2 + Rк2).
Как только напряжение на конденсаторе достигнет нулевого уровня, рабочая точка, характеризующая режим транзистора VT2, окажется на границе с активной областью. При дальнейшем увеличении напряжения иС
рабочая точка перейдет в активную область и замкнется цепь положительной ОС:
Транзистор VT1 закроется, a VT2 откроется и будет находиться в режиме насыщения. Начнется зарядка конденсатора С по цепи: + Еп → RК1 → C → VT2 → — Еп. После зарядки конденсатора С одновибратор будет находиться в устойчивом состоянии до прихода следующего входного (запускающего) импульса, т. е. в режиме ожидания. Поэтому одновибратор часто называют ждущим м у л ьт и в и б р а то р о м.
Длительность формируемого одновибратором импульса определяется постоянной времени цепи перезарядки конденсатора С и может быть приближенно определена по формуле
(11.4)
Недостатком рассмотренного одновибратора является использование в нем двух источников Епи Еб. Поэтому чаще применяется одновибратор с эмиттерной связью (рис. 11.6), в котором имеется только один источник питания Еп.
Рис. 11.6. Схема одновибратора на БТ с эмиттерной связью
Роль источника Еб,обеспечивающего запирание транзистора VT1 в исходном состоянии, выполняет напряжение Uэна резисторе Rэ создаваемое эмиттерным током открытого и насыщенного транзистора VT2. Ток базы насыщенного транзистора VT2 определяется сопротивлением резистора Rб,а ток коллектора — сопротивлением резистора Rк2. Сопротивления резисторов R1, R2 и Rэ рассчитываются таким образом, чтобы в исходном состоянии напряжение иБЭ транзистора VT1 было отрицательным, т. е.
где Uэ = IЭ2 нас Rэ; IЭ2 нас — эмиттерный ток транзистора VT2 в режиме насыщения.
Одновибраторы на логических элементах.На рис. 11.7,а представлена схема одновибратора на логических элементах И — НЕ.
В исходном состоянии на входе ЛЭ1 действует напряжение высокого уровня — логическая единица. Напряжение на входах ЛЭ2 равно напряжению на резисторе R, которое создается на нем входным током ЛЭ2. Так как IвхR < и0пор, то можно считать, что на входах ЛЭ2 имеется логический нуль, а на выходе — логическая единица, которая передается на второй вход ЛЭ1.
Рис. 11.7. Схема однопибратора на логических элементах (а) и
графики изменений напряжений на входах и выходах ЛЭ (б)
Таким образом, на каждом входе ЛЭ1 имеется логическая единица. Следовательно, ЛЭ1 открыт и напряжение на его выходе соответствует логическому нулю. Напряжение на конденсаторе С также близко к нулю.
При поступлении на вход отрицательного импульса, соответствующего логическому нулю, на выходе ЛЭ1 устанавливается логическая единица, соответствующая напряжению высокого уровня. Начинается зарядка конденсатора С. Ток зарядки протекает от выхода ЛЭ1 через конденсатор С и резистор R. На резисторе создается положительное напряжение uR =iC зарR > U1пор,которое в виде логической единицы поступает на входы ЛЭ2 и открывает его. На выходе ЛЭ2 образуется низкое напряжение (логический нуль), которое передается на второй вход ЛЭ1и поддерживает его в закрытом состоянии после прекращения действия входного импульса.
По мере зарядки конденсатора С напряжение uR на резисторе R уменьшается. При uR < U1пордальнейшее уменьшение uR будет сопровождаться увеличением напряжения U3на выходе ЛЭ2 и на втором входе ЛЭ1. Начнет действовать положительная ОС, которую можно представить следующей символической записью:
При u3 > U1пор на обоих входах ЛЭ1 будет логическая единица, ЛЭ1 откроется и на его выходе напряжение уменьшится до логического нуля. Начнется разрядка конденсатора С через выходное сопротивление ЛЭ1 и диод VD. Напряжение u2на входах ЛЭ2 станет меньше порогового U0пори ЛЭ2 закроется. В таком состоянии устройство будет находиться до прихода следующего запускающего импульса.
Графики напряжений на входах и выходах логических элементов показаны на рис. 11.7, б. Они построены без учета задержек при переключениях одновибратора.
Одновибраторы на операционных усилителях.Принципиальная схема одновибратора на ОУ (рис. 11.8, а)
Рис. 11.8. Схема одповибратора на ОУ (а) и графики напряжений на конденсаторе,
входе и выходе одновибратора (б)
отличается от схемы мультивибратора на ОУ (рис. 1 1.4, а)наличием диода VD, подключенного параллельно конденсатору С. При указанном на схеме направлении включения диода в исходном состоянии на выходе устанавливается минимальный (отрицательный) уровень напряжения Uвых min.
Диод VD, образующий с резистором R3 делитель выходного напряжения, оказывается включенным в прямом направлении, поэтому падение напряжения на нем близко к нулю и uС = u(–)вх ≈ 0. Напряжение на неинвертирующем входе равно u(+)вх = Uвых minR1 / (R1 + R2).
Графики напряжений, поясняющие работу одновибратора, приведены на рис. 11.8, б.
При поступлении на вход импульса положительной полярности с амплитудой, превышающей значение Uвых minR1 / (R1 + R2),напряжение на неинвсртирующем входе становится положительным. Под действием u(+)вх> 0 напряжение на выходе также становится положительным и, поступая на неинвертирующий вход через делитель R1R2, лавинообразно нарастает до максимального значения Uвых max. Напряжение на неинвертирующем входе принимает значение
Под действием напряжения Uвых max конденсатор С начинает заряжаться через резистор R3. Диод VD включается в обратном направлении и на процесс зарядки влияния не оказывает. Пока uС< u(+)вхнапряжение
ивых = Uвых max. При приближении uСк u(+)вхОУ выходит из режима насыщения и при uС> u(+)вх под действием положительной ОС, осуществляемой через делитель R1R2, происходит второе «опрокидывание», в результате которого на выходе устанавливается минимальное напряжение Uвых min. Конденсатор начинает разряжаться через резистор R3 и Rвых ОУ. При достижении напряжения на конденсаторе нулевого уровня диод открывается и процесс разрядки конденсатора заканчивается.
Таким образом, на выходе одновибратора на ОУ формируется положительный импульс с крутыми фронтами, длительность которого можно рассчитать по формуле
(11.6)
Если изменить направление включения диода, то изменится полярность выходного импульса. При этом запуск одновибратора должен производиться входными импульсами отрицательной полярности.