Глава 4. Импульсные устройства и цифровая техника

4.1. Общая характеристика импульсных устройств

Импульсный принцип построения систем электроники занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым. На этом принципе работает вся цифровая вычислительная техника.

4.1.1. Достоинства импульсных систем

Импульсные системы имеют меньшее потребление энергии источника питания, большой КПД, меньшую критичность к изменению температуры, помехоустойчивость. Применяют импульсы прямоугольной, пилообразной, экспоненциальной формы и чередующейся полярности (рис.4.1, а - г).

б)

г)

4.1.2. Характеристика импульса

Импульсный сигнал, приведенный на рис.4.2, характеризуется нижеперечисленными параметрами.

Рис.4.2. Реальный импульс напряжения

1. Амплитуда U_m– максимальное значение напряжения.

2. Время импульса t_и – длительность импульса, соответствующая половине амплитуды.

3. Длительность фронта t_ф (измеряют в пределах уровней от 0,1 U_m до 0,9U_m).

4. Длительность среза t_с (измеряют в пределах уровней от 0,1U_m до 0,9U_m).

5. Спад вершины U и его относительная величина U/U_m.

4.1.3. Характеристика последовательности импульсов

1. Период повторения – интервал времени Т между началами двух соседних импульсов.

2. Частота импульсов f – число импульсов в единицу времени f=1/Т.

3. Пауза – время от окончания одного до начала следующего импульса.

4. Коэффициент заполнения = t_и/Т – отношение длительности импульсов к периоду повторения.

5. Скважность q=1/=T/t_и – величина, обратная коэффициенту заполнения.

Р азличают время–импульсный и число–импульсный метод преобразования информации (рис.4.3).

Рис.4.3. Характеристика последовательности импульсов:

а – время-импульсный метод; б – число-импульсный метод

Импульсные устройства могут быть построены на базе транзистора. Для этого транзистор переводят в ключевой режим работы.

4.1.4. Ключевой режим работы транзистора

Транзистор используется в качестве ключа, замыкая и размыкая цепь нагрузки. Ток через нее будет либо большой, либо очень слабый.

В открытом состоянии имеется малое падение напряжения на транзисторе, в закрытом – малый ток через него. Изменяя состояние транзистора (открыт - закрыт) в цепи, последовательной с транзистором, осуществляется формирование сигнала импульсной формы.

С хема включения транзистора может быть любой, чаще – с ОЭ (рис.4.4,а).

а) б)

Рис.4.4. Ключевая схема на транзисторе (а), выходные характеристики(б)

Для удобства рассмотрения ключевого режима используется графо-аналитический метод, основанный на построении линии нагрузки а – б по постоянному току (рис.4.4, б).

Точка F характеризует режим отсечки, который осуществляется подачей на вход напряжения: Uвх>0, при этом Iэ=0.

Через транзистор течет ток Iко – обратный ток коллектора.

Условие выбора Uвх для запирания транзистора:

U_бэ=U_вх-I_ко R_б>0.

Здесь U_бэ=(0,5 - 1)В.

Точка К характеризует режим открытого состояния транзистора (режим насыщения), который осуществляется подачей на вход напряжения:

U_вх<0, I_б=I_б1.

При этом I_k=(E_k-U_кэ)/R_k ,

где U_кэ должно быть минимальным (в пределах 0,5 - 1В) и тогда I_k=E_k/R_k.

Граничное значение тока базы, при котором происходит «полное» открытие транзистора:

I_{б гр.} =I_k/_cm=E_k/(_cmR_k),

т.к. U_кэ 0.

Здесь _cm – статический (усредненный) коэффициент передачи тока в схеме ОЭ.

Принято понятие коэффициента насыщения S:

S= I_б/I_б.гр

Он принимает значения в пределах 1,5 - 3.

Увеличение I_б больше I_б.гр приводит к надежному открыванию транзистора.

В режиме насыщения транзистор нечувствителен к помехам во входной цепи (изменение I_б практически не влияет на I_к).

Следует рассмотреть процесс переключения транзистора из одного состояния в другое во времени (рис.4.5). Переключение транзистора происходит не мгновенно. На интервале t₀ – t₁, когда входной импульс отсутствует, транзистор заперт напряжением U_вх.зап. Токи I_б и I_к определяются обратным (тепловым) током I_к0 (рис.4.5, б, в). Напряжение на транзисторе U_кэ = -(E_к – I_к0R_к) (рис.4.5, г). С момента t₁ транзистор отпирается импульсом отрицательной полярности U_вх.отп. Происходит постепенное изменение тока I_к и напряжения U_кэ. Коллекторный ток, стремясь к значению _cm I_б.отп, достигает предельной величины I_к  E_k/R_k (рис.4.5, в). В момент t₂ действие входного отпирающего импульса напряжения заканчивается. С приложением U_вх.зап ток I_к и напряжение U_кэ некоторое время остаются неизменными, а транзистор – открытым. Только после ухода избыточных носителей заряда (дырок) из коллектора в базу (их рассасывания) и перехода транзистора из режима насыщения в активный режим ток I_к начинает уменьшаться, а напряжение U_кэ – возрастать (рис.4.5, в, г).

Время, в течение которого происходит рассасывание избыточного заряда, называется временем рассасывания t_р . Оно пропорционально коэффициенту насыщения S. Длительность фронта t_ф – время нарастания коллекторного тока. Длительность фронта с ростом S сокращается.

Длительность среза импульса t_c – следует за временем рассасывания (время заднего фронта).

Длительности t_ф, t_р, t_с характеризуют быстродействие транзистора в режиме ключа.

Рис.4.5. Диаграммы процесса переключения транзистора