Краткие теоретические сведения

  5.2.1 Импульсный сигнал и его параметры

 

Импульсными называют устройства, работающие в прерывистом режиме. В таком режиме кратковременное воздействие чередуется с паузой, длительность которых соизмерима с длительностью переходных процессов [2]. Это предопределяет существенные особенности электронных устройств, работающих в импульсном режиме.

Наиболее часто используются импульсы прямоугольной, трапецеидальной, пилообразной, треугольной, экспоненциальной и колоколообразной форм, показанные соответственно на рисунке 5.1.

	б	в
а	г	д

Рисунок 5.1 Виды идеализированных импульсов:

а – трапецеидальный; б – прямоугольный; в – треугольный;

г - пилообразный; д - колоколообразный

 

Периодическая последовательность импульсов характеризуется периодом повторения (следования) Т, т.е. отрезком времени между началом двух соседних однополярных импульсов.

Величина

                              f =1/Т                                                           (5.1)                                                     

называется частотой следования импульсов. Отношение периода повторения к длительности импульса характеризует скважность периодически повторяющихся импульсов [3]:

      

                          q = T / _{t н} = 1/ Ft _н .                                                (5.2)

 Величина, обратная скважности:

      

                     К_з = 1/ q = t _н /Т_н                                                      (5.3)  

                                                                                 

называется коэффициентом заполнения импульсов, который, как и скважность, является безразмерной величиной.

Помимо параметров периодической последовательности импульсов важное значение имеют параметры формы импульсов. На рисунке 5.2 приведен идеализированный прямоугольный импульс

 

 

Рисунок 5.2 Прямоугольный идеализированный импульс

 

Основными параметрами формы импульсов являются [2]:

- амплитуда импульса U_m;

- cпад вершины импульса  Δ U;

- амплитуда выброса U _обр;

- длительность импульса по уровню t _и;

- длительность переднего фронта (промежуток времени, в течение которого напряжение возрастает от уровня 0,1 U_m до 0,9 U_m), t _ф;

- длительность среза (промежуток времени, в течение которого напряжение спадает до уровня 0,9 U_m до 0,1 U_m), t _с;

- длительность хвоста t _х.

При определении параметров реальных импульсов обычно нет возможности однозначно разделить импульс на характерные участки, поэтому в этих случаях параметры импульсов определяют исходя из тех или иных допущений. Например, длительность импульса и фронта импульса часто определяют так, как показано на рисунке 5.3.

 

Рисунок 5.3 Прямоугольный импульс реальный

 

Мультивибраторы

  Мультивибратор представляет собой автогенератор релаксационного типа с прямоугольной формой выходных колебаний. Термин автогенератор означает, что он генерирует незатухающие колебания без какого-либо запуска извне.

Для возбуждения мультивибратора необходимо выполнение двух условий – баланса фаз и баланса амплитуд:

- баланс фаз: φ_ос+φ_ус = 360°·n (n-целое),                              (5.4)

- баланс амплитуд: kβ>1                   (5.5)

      

Наиболее широкое распространение получил симметричный мультивибратор с коллекторно-базовыми связями (рисунок 5.4) [2].

        

Рисунок 5.4 Схема симметричного транзисторного мультивибратора

 

    Симметричность означает идентичность расположенных элементов, т.е. R _к1 = R _к2 , R _б1 = R _б2 , C _б1 = C _б2, параметры транзисторов одинаковы. Как видно из рисунка, мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов по схеме ОЭ, выходное напряжение каждого из которых подается на вход другого.

 При соединении схемы к источнику питания Ек оба транзистора пропускают коллекторные токи (их рабочие точки находятся в активной области), поскольку на базы через резисторы R б1, R б2 подается отрицательное напряжение. Однако такое состояние неустойчиво.

Пусть в результате любого случайного изменения напряжений на базах или коллекторах несколько увеличится ток I _к1 транзистора Т₁. При этом увеличится падение напряжения не резисторе R ₁ и коллектор транзистора Т₁ получит приращение положительного потенциала. Поскольку напряжение на конденсаторе C _б1 мгновенно измениться не можeт, то это приращение прикладывается к базе транзистора Т₂, подзапирая его. Коллекторный ток I _к2 при этом уменьшится, напряжение на коллекторе транзистора Т₂ станет более отрицательными, передаваясь через конденсатор C _б2 на базу транзистора Т₁ еще более отпирает его, увеличивая ток I _к1. Этот процесс протекает лавинообразно и заканчивается тем, что транзистор Т₁ входит в режим насыщения, а транзистор Т2 – в режим отсечки. Схема переходит в одно из своих временных устойчивых (квазиустойчивых) состояний. При этом открытое состояние транзистора Т₁ обеспечивается смещением от источника Е_к через резистор R _б1, а запертое состояние транзистора Т₂ – положительным напряжением на конденсаторе C _б1 ( U_{C б1} = U _б2 >0), который через открытый транзистор Т₁ включен в промежутке база-эмиттер транзистора Т₂. На временных графиках описанные процессы соответствуют моменту времени t =0 (рисунок 5.5).

 

 

Рисунок 5.5 Временные диаграммы напряжений автоколебательного

мультивибратора

Теперь конденсатор C _б2 быстро заряжается по цепи + E к – эмиттер – база Т₁ - C _б2 – R _к2 – Е_к до напряжения Е_к. Конденсатор C _б1, заряженный в предыдущий период, перезаряжается через резистор R _б2 и открытый транзистор Т₁ током источника питания Е_к, и напряжение на нем стремится уменьшиться до –Е_к (рисунок 5.5). В момент времени t ₁ напряжение U_{C б1} = U _б2 меняет знак, что вызывает отпирание транзистора Т₂ и появление тока I _к2. Увеличение тока I _к2 приводит к процессу, аналогичному описанному при увеличении тока I _к1. В результате транзистор Т₂ войдет в режим насыщения, а транзистор Т₁ - в режим отсечки (второе временно устойчивое состояние). В промежуток времени t ₁ - t ₂ происходит зарядка конденсатора C _б1 и перезарядка C _б2.

Таким образом, переходя периодически из одного временно устойчивого состояния в другое, мультивибратор формирует выходное напряжение, снимаемое с коллектора любого транзистора, почти прямоугольной формы.

Напряжение на базе любого из транзисторов изменяется по экспоненциальному закону (рисунок 5.5), а частота генерируемых колебаний определяется скоростью перезарядки времязадающих конденсаторов C _б1 , C _б2 .

 

Одновибраторы

 

Одновибратором называется устройство, формирующее одиночный импульс фиксированной длительности при подаче на его вход запускающего импульса, форма и параметры которого могут изменяться в широких пределах. Одновибратор может быть получен из мультивибратора с самовозбуждением, если его принудительно запереть в одном из временно устойчивых состояний, превратив его в устойчивое.

Для получения прямоугольных импульсов заданной длительности и амплитуды часто применяют схему одновибратора с эмиттерной связью (рисунок 5.6) [2].

 

Рисунок 5.6 Схема одновибратора

 

Схема содержит транзисторный ключ, в котором одна связь между каскадами осуществляется с помощью конденсатора С, а другая – с помощью общего резистора в цепи эмиттеров R э. В исходном устойчивом состоянии транзистор Т₁ заперт, а транзистор Т₂ открыт и находится в состоянии насыщения, так как через резистор R ₃ проходит большой базовый ток  I _б2 .

За счет эмиттерного тока транзистора Т₂ на общем резисторе R создается падение напряжения U _э, равное I _э2∙ R _э с указанной на рисунке полярностью, а за счет источника питания Ек на нижнем плече делителя R 1 R 2 – падение напряжения U_{R 2}. При выполнении условия | U _э |>| U_{R 2} | на базу транзистора Т1 подается положительное напряжение U б1, запирающее его. Конденсатор С при этом оказывается заряженным до напряжения u с = Ек – U э. При подаче на вход одновибратора в момент времени t ₁ (рисунок 5.7), запускающего отрицаельного импульса с амплитудой, превышающей напряжение на базе |U вх|>| U _б1 |, транзистор Т1 начинает открываться и напряжение на его коллекторе увеличивается. 

Положительное приращение напряжения передается через конденсатор С на базу транзистора Т2, запирая его. Уменьшение падения напряжения на резисторе R3 способствует дальнейшему отпиранию транзистора Т1, и процесс нарастает лавинообразно, заканчиваясь полным запиранием транзистора Т2 и насыщением транзистора Т1.

Такое состояние одновибратора является временно устойчиым, поскольку теперь конденсатор С начинает перезаряжаться по цепи +Ек (корпус) – R э – эмиттер – коллектор Т1 – С - R _б2  – (-Ек) и напряжение на нем, а следовательно, на базе транзистора Т2 снижается (рисунок 5.7). Когда это напряжение ыв момент времени t ₂ достигает нулевого уровня, транзистор Т2 открывается, и в схеме возникает опрокидывание, аналогичное описанному, в результате чего одновибратор возвращается в исходное устойчивое состояние. Схема ждет следующего запускающего импульса.

Рисунок 5.7 Временные диаграммы напряжений одновибратора

 

Длительность импульса, формируемого на коллекторе транзистора Т2, от момента подачи запускающего импульса до временно устойчивого состояния определяется тем же соотношением, что и для автоколебательного мультивибратора:

                              t _и = 0,7∙С∙ R ∙6.                                                     (5.6)

  Время восстановления одновибратора, определяемое временем зарядки конденсатора С:

t _в = 3∙С∙( R _к1 + R _э).                                                       (5.7)

Для нормальной работы одновибратора период повторения запускающих импульсов не должен быть меньше полного цикла его работы:

                      Т>> t _и ∙ t _в .                                                              (5.8)

 

Блокинг – генераторы

Блокинг-генератором называется релаксационный генератор с трансформаторной положительной ОС, позволяющей получить мощные короткие импульсы практически прямоугольной формы с амплитудой порядка Епит. Для получения значений выходного напряжения больших Епит. Используют дополнительную обмотку трансформатора. Длительность генерируемых импульсов блокинг-генераторов от 1-10 мкс и менее, при скважности Q - десятки-сотни.

Блокинг-генератор, как и другие типы релаксационных генераторов, работает в 3 режимах:  автоколебательном, ждущем и  синхронизации.

Блокинг-генераторы применяются в качестве импульсных генераторов, формирователей мощных коротких импульсов и элементов сравнивающих устройств.

 На рисунке 5.8 приведена схема автоколебательного блокинг-генератора [2].

 

Рисунок 5.8 Схема автоколебательного блокинг-генератора

Он представляет собой усилитель, охваченный положительной обратной связью (ПОС) через импульсный трансформатор. Первичная обмотка с числом витков W₁ включена в коллекторную цепь транзистора VT 1, вторичная обмотка с числом витков W ₂ – в базовую цепь транзистора VT 1. Для повышения выходного напряжения предусмотрена третья обмотка с числом витков W ₃. Для обеспечения выполнения условия баланса фаз генератора первичная и вторичная обмотки включены встречно.

Режим работы транзистора VT ₁ по постоянному току обеспечивается резистором R, который определяет ток базы. RC-цепь, задающая постоянную времени, определяет время паузы t _п блокинг-генератора. Поскольку скважность импульсов Q = 10…100, то время импульсов t _и в десятки-сотни раз меньше времени паузы. Значит, постоянная времени R С - цепи практически определяет период колебаний Т. Время паузы приближенно составляет

 

           t _п = R ∙ C ∙ ln 2 +0,7 ∙ R ∙С.                                           (5.9)

 

На рисунке 5.9 приведены осциллограммы работы автоколебательного блокинг-генератора. транзистора VT 1, который заканчивается в момент времени и его насыщением.

 

 

 

Рисунок 5.9  Осциллограммы работы автоколебательного блокинг-генератора

Рассмотрим осциллограммы с момента времени t ₀. Конденсатор С, заряженный в предыдущем цикле, разрядился почти до нуля (транзистор VT 1 в предыдущем цикле был заперт) при t > t ₀ транзистор VT 1 начинает открываться, ток коллектора I к возрастает, вызывая в коллекторной обмотке ЭДС самоиндукции. Это приводит к возникновению ЭДС в базовой обмотке, а «-», приложенный к базе транзистора VT 1 и «+», приложенный к конденсатору С, который начинает заряжаться. Отрицательный потенциал на базе транзистора VT 1 относительно эмиттера увеличивает ток базы, что приводит к дальнейшему увеличению I _к, обеспечивая лавинообразный процесс переключения

На этом этапе переключения транзистора (от закрытого, t > t ₀ , до насыщенного, t > t ₁), формируется передний фронт импульса. Напряжение на конденсаторе U с изменяется незначительно, поскольку длительность переднего фронта невелика. На участке t ₀ – t ₁ транзистор Т₁ находится в активном режиме (К_и >>1), а на участке t ₁ – t ₂ в режиме насыщения при этом К_и <1 и транзистор не усиливает сигналы.

После t ₁ (так как Ки <1) баланс амплитуд в генераторе не выполняется, поэтому ток базы перестает управлять током коллектора. Уменьшается наводимая ЭДС во вторичной обмотке, что приводит к уменьшению тока базы, и на этом этапе происходит формирование крыши импульса. Уменьшение тока базы приводит к появлению в базовой обмотке ЭДС самоиндукции, которая препятствует уменьшению тока базы. Под действием ЭДС происходит заряд конденсатора С через ЭБ насыщенного транзистора VT 1. Значение R _эб мало , и заряд происходит очень быстро. При этом одновременно ток базы и напряжение на базе изменятся до нуля, и в момент времени t ₂ транзистор выходит из состояний насыщения.

Следовательно, он вновь восстанавливает свои усилительные свойства при последующем переходе в активный режим и в момент времени t ₂ заканчивается формирование крыши импульса, после чего формируется его задний фронт. На интервале времени t ₂ - t ₃ ток коллектора начинает уменьшаться, что приводит к появлению в базовой обмотке ЭДС самоиндукции с полярностью, противоположной предыдущей, т.е. способствующей отпиранию транзистора. При этом транзистор VT 1 закрывается и тем самым формирует лавинообразный процесс, который заканчивается в момент времени t ₃ запиранием транзистора.

На этом интервале напряжение на базе транзистора VT ₁, больше нуля, что обусловлено конечным временем рассасывания дырок в базе после насыщения транзистора VT ₁, и вызывает обратный ток базы. Поскольку в момент запирания транзистора VT ₁ ток коллектора не равен нулю, то он не может мгновенно прекратиться. За счет ЭДС самоиндукции коллекторной обмотки (ЭДС повышается и стремится поддержать коллекторный ток) напряжение на коллекторе превышает напряжение питания. При этом U _к может быть порядка 2Е_пит. Для ликвидации этого всплеска в схеме предусмотрена шунтирующая цепочка VDR ₁.

После t ₃ начинается формирование паузы и происходит перезаряд конденсатора С через резистор R от Ек. Напряжение на конденсаторе U_c начинает медленно уменьшаться и, когда U _с достигнет нуля, схема возвращается к исходному моменту времени t ₀ и начинается новое опрокидывание схемы. Реальный вид выходного напряжения блокинг-генератора приведен на рисунке 5.10.

 

 

Рисунок 5.10 Реальные выходные осциллограммы автоколебательного

блокинг-генератора