Раздел I. Введение

В лабораторной работе изучаются особенности схемотехнического построения, принцип работы, методы расчета двух представителей обширного класса ключевых преобразователей типа “ sin → __^┌┐__” на биполярных тран­зисторах: усилителя-ограничителя и триггера Шмитта. Несмотря на некоторые различия в построении схем, общим для них является ключевой режим работы транзистора. В этом случае идеализированная структурная схема обоих преобразователей имеет вид (рис.1)

В состав преобразователя входит управляемый ключевой элемент Кл и сопротивление нагрузки R_н , с которой снимается выходной сигнал. Управление состоянием ключа "замкнут - разомкнут" осуществляется входным (в нашем случае - синусоидальным) сигналом вида U_упр(t) = U_m sin (ωt). В случае идеального ключевого элемента обладающего: в замкнутом состоянии - нулевым, а в разомкнутом - бесконечным выходным сопротивлением, напряжение, на выходе будет принимать два дискретных значения: 0 , Е ,где E - источник постоянного напряжения.

В качестве электронного аналога ключевого элемента Кл на практике могут использоваться биполярные транзисторы, выводимые входным (управляющим) сигналом в режим отсечки и насыщения. Однако наличие активного (усилительного) режима работы биполярного транзистора приводит к появлению некоторого порогового уровня - U_пор открывания и запирания транзистора, при достижении которого входным сигналом и происходит переключение транзистора. С учетом этого и приведены эпюры входного и выходного сигналов (рис.2).

Раздел II. Ключевые преобразователи типа “ sin →__┌┐ __”

II а. Транзисторный усилитель-ограничитель.

Преобразование формы входного сигнала в данной схеме обеспечивается за счет его ограничения транзисторным усилителем, включенным по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Являясь амплитудным ограничителем, схема осу­ществляет следующее преобразование входного сигнала:

(2.1)

где k –const

Величины входного напряжения U_огр1, U_огр2 по достижению которых входным сигналом, выходной сигнал перестает изменяться пропорцио­нально входному и остается постоянным (равным Е₁, или Е₂) называется порогами ограничения. Соответствующие им значения выходного напряжения: Е₁, E₂ - называются уровнями ограничения. Физический смысл коэффициента k - коэффициент усиления усилителя с ОЭ по напряжению.

Функциональная зависимость U_вых = U_вых (U_вх) называется амплитудной характеристикой ограничителя. График ее представлен на рис.3 (для положительных уровней и порогов ограничения)

Знаки порогов и уровней ограничения могут быть произвольными и опре­деляются конкретной схемотехникой того или иного ограничителя. Из анализа амплитудной характеристики (рис.3), а аналогичную ей имеют все схемы транзисторных усилителей - ограничителей, следует, что для обеспечения режима ограничения входного сигнала U_вх(t) произвольной (т.е. не обязательно синусоидальной) формы необходимо одновременно обеспечить выполнение двух условий:

- ввести в состав входного сигнала постоянную составляющую Е₀, необходимую для выведения его в область порогов ограничения, так что (для сигнала синусоидальной формы):

(2.2)

- амплитуда входного сигнала U_M ,при этом должна быть достаточ­ной для выведения его в область [U_огр1 ; U_огр2 ] т.е. удовлетворять соотношению:

(2.3)

В этом случае выходной сигнал будет иметь вид (рис.4)

В отличие от идеализированной структуры (рис.1) преобразователя “ sin → __^┌┐__” выходной сигнал усилителя - ограничителя имеет принципиаль­ную трапециидальную форму, имея конечную длительность фронтов. Кроме того, вследствие своей однополярности, в выходном сигнале всегда присутствует постоянная составляющая E₃ .

Типовая схема транзисторного усилителя - ограничителя представлена на рис.5 и построена в соответствии со структурой идеального преобразователя (рис.1).

Роль ключевого элемента Кл здесь выполняет транзистор VT1 с коллекторной нагрузкой R₃. Резистивный делитель R₁, R₂ обеспечивает наличие начального потенциала (базового смещения) на базе транзистор VТ1, необходимого для выведения рабочей точки каскада на требуемый участок амплитудной характеристики. Конденсаторы С_р1 ,C_p2 - раздели­тельные, служат для развязки по постоянному току источника входного сигнала от цепей смещения транзистора VT1.

Принцип работы ограничителя состоит в периодическом (под воздействием входного сигнала) выведение транзистора VТ1 в область отсечки и насыщения, где выходной сигнал остается постоянным (и равным: - E_k и U_кэнас соответственно) при произвольном изменении входного. Т.е. уровни ограничения данной схемы считаем определенными:

| E₁| = U_кэнас | E₂ | = E_k

Выбор режима ограничения, определение порогов ограничения произ­водится по амплитудной характеристике, которая - в данном случае сов­падает с проходной характеристикой усилительного каскада с ОЭ т.е. зависимостью U_кэ = U_кэ (U_бэ). Методика построения зависимости U_кэ = U_кэ (U_бэ) состоит в следующем.

1.Построение нагрузочной прямой.

- По известному сопротивлению коллекторной нагрузки R₃ (рис.5),а требование к его величине изложены в (2.13), и напряжению источника питания Е_к, строят нагрузочную прямую на семействе выходных характе­ристик каскада с ОЭ по уравнению:

U_кэ = E_k - i_k R₃ (2.4)

Т .к. коллекторный ток i_k, в (2.4) является ещё и функцией базового тока (задаваемого входным сигналом), являющегося параметром семейства выходных характеристик, то точки пересечения нагрузочной прямой с каждой из выходных характеристик и будет определять соответствующие положения рабочей точки (РТ) транзистора VT1. Положение РТ на семей­стве выходных характеристик в схеме с ОЭ описывается тремя потен­циалами: напряжением на коллекторе - U_{кэ р.т.} протекающим при этом током коллектора – i_{к р.т.} и вызвавшим его током базы – i_{б р.т.} (рис.6)

2.Построение проходной характеристики U_кэ = U_кэ (U_бэ).

Отмечая последовательное положение РТ при увеличении базового тока от его минимального значения: i_бmin= I_ko, до максимального: I_бmax, находим соответствующие пары значений (U_{кэ р.т.} i_{б р.т}). Для построения графика U_кэ = U_кэ (U_бэ) воспользуемся проходной характеристикой транзистора в схеме с ОЭ:

i _б = i_б (U_бэ)

ставящей в соответствие каждому значению базового тока, требуемое для этого напряжение на базе. Откладывая на ней найденные значения базового тока i_{б р.т} на соответствующее ему значение U_{бэ р.т.}

Таким образом для каждого фиксированного положения РТ на нагрузочной прямой оказываются определены пары точек (U_кэр.т. U_бэр.т.). Нанося их на график последовательных положений РТ, получаем проходную характеристику, приведенную на рис.3.

Построенная таким образом амплитудная характеристика усилителя – ограничителя (сравните с идеализированной (рис. 3)) позволяет:

- определить ограничения U_огр1 и U_огр2

- подготовить данные для расчета величин R₁, R₂, R₃

- определить основные параметры выходного сигнала по известной форме входного и различных режимах ограничения.

Эти задачи решают с помощью графоаналитических методов расчета, суть которых состоит в следующем.

Пусть входной сигнал имеет вид: U_вх(t) = U_бэ(t) = Е₀ + U_Мsin ωt

Используя графическую связь между U_кэ = U_кэ (U_бэ), т.е. U_вых = U_вых (U_вх) и исходную форму входного сигнала U_вх(t) = U_бэ(t), получаем выражение для выходного напряжения U_вых(t) = U_кэ(t) = U_кэ (U_бэ(t)) как функцию от времени. Совмещая графики U_кэ = U_кэ (U_бэ) и U_кэ = U_бэ(t) по соответствующим осям и, откладывая величину входного сигнала в фиксированные моменты времени, переносим на график зависимости U_кэ = U_кэ (U_бэ), получим соответствующие значения выходного сигнала в эти же моменты времени (рис.9). При этом, для простоты будем пользоваться линейно-ломаной аппроксимацией проходной характеристики.

Движение т. А→А₁ на этих графиках отражает методику получения функций U_вых(t) по известной U_вх(t). Полученные графики позволяют оценить влияние всех параметров входного сигнала на форму выходного при всех режимах ограничения. Рассмотрим отдельно каждый из них:

а) Влияние постоянной составляющей Е₀ . В состав входного сигнала величина Е₀ непосредственно, не входит, а создаётся источником Е_к через делитель R₁, R₂. Следует иметь в виду, что наличие смещения Е₀ на базе VТ1 (рис.5) приводит к тому, что даже в отсутствии входного сигнала на выходе схемы имеется некоторый постоянный потенциал (на рис.9 он равен ≈ E_k/2). Если амплитуда входного сигнала удовлетво­ряет условиям (2.2 и 2.3), то в зависимости от величины Е₀ различают следующие режимы ограничения:

1. Режим симметричного двустороннего ограничения. В этом случае величина базового смещения выбирается из условия:

E₀ = | U_огр1 + U_огр2 | / 2 (2.5)

а выходной сигнал имеет вид, представленный на рис.4, при Е₃ равном

E₃ = | E_k + U_кэнас | / 2 ≈ Е_к/2 (2.6)

За счет выполнения условий (2.5 и 2.6) обеспечивается симметричное ограничение обоих полуволн входного синусоидального напряжения.

2.Режим одностороннего ограничения сверху обеспечивается при выборе Е₀ из условия:

| U_огр1| ≤ E₀ ≤ | U_огр1 + U_огр2 | / 2 (2.7)

п ри этом Е₃ находится в интервале [Е_к/2; Е_к] приближаясь к вели­чине Е_к. Форма выходного сигнала в этом случае имеет вид (рис.10) с ограничением "положительных'' (т.е. расположенных выше уровня Е₃) полуволн выходного напряжения.

3.Режим одностороннего ограничения снизу.

Обеспечивается при выборе смешения Е₀ из условия:

| U_огр2 | ≥ E₀ ≥ | U_огр1 + U_огр2 | / 2 (2.8)

При этом Е₃ будет находится в интервале [U_кэнас;Е_к/2] приближаясь к величине U_кэнас. Форма выходного сигнала а этом случае имеет вид (рис.11) с ограничением "отрицательных'' (т.е. расположенных ниже уровня Е₃) полуволн входного напряжения.

4.Усилительный режим (отсутствие ограничения)

Характеризуется выполнением условий (2.5 и 2.6) при малых амплитудах входного

с игнала U_М:

(2.9)

Выходной сигнал в этом случае повторяет по форме входной, с инверсной и усилением и показан штрих - пунктирной линией на рис.9.

Влияние амплитуды входного сигнала U_М

Сводится к обеспечению возможности реализации того или иного режима ограничения. Из геометрических соображений (рис.9) очевидны следующие расчетные соотношения по выбору U_М

1. Режим симметричного двустороннего ограничения.

В случае если Е₀ удовлетворяет условию (2.5), минимально – необходимая амплитуда входного сигнала U_М должна выбираться из условия:

U_М ≥ ( | U_огр2 | - | U_огр1 | ) / 2 (2.10)

2.Режим одностороннего ограничения сверху;

В случае если Е₀ удовлетворяет условию (2.7).минимально-необходимая амплитуда U_М должна выбираться из условия:

U_М ≥ | Е₀| - | U_огр1 | (2.11)

3.Режим одностороннего ограничения снизу:

В случае если Е₀ удовлетворяет условию (2.3), требования к амплитуде U_М входного сигнала таковы:

U_М ≥ | U_огр2 | - | Е₀| (2.12)

Таким образом, для обеспечения того или иного режима работы преобразователя “ sin → __^┌┐_” на основе транзисторного усилителя - ограничителя, величины Е₀ ,U_М должны удовлетворять системе условий (2.5; 2.10); (2.7;2.11); (2.3;2.12).