Формирователи импульсов.

Формирование импульсов основано на изменении одного или нескольких параметров импульсов, поступающих на вход устройства формирования от какого- либо источника.

Формирователь может быть пассивным или активным четырехполюсником.

Различают линейные и нелинейные схемы. В первом случае используются только линейные элементы электрических цепей: R, L и С. Во втором случае- нелинейные элементы- диоды, транзисторы, микросхемы.

Дифференцирующие цепи.

Являются простейшими формирователями импульсов.

Дифференцирующие цепи это такие цепи, у которых постоянная времени (=RC) значительно меньше длительности входных импульсов, а выходное напряжение снимается с активного сопротивления.

Рассмотрим процесс воздействия прямоугольного входного импульса на RC- дифференцирующую цепь.

При подаче Uвх, через RC- цепь протекает ток заряда i_з и напряжение на конденсаторе Uс возрастает по экспоненциальной кривой:

,

Разряд конденсатора происходит согласно уравнению:

.

Ток в цепи RC изменяется скачкообразно до максимума в моменты образования перепадов напряжения на входе и затем спадает по экспоненте, стремясь к нулю. Направление тока зависит от характера процесса. Кривая напряжения на резисторе будет иметь ту же форму, что и кривая тока в цепи. При этом, если потенциал нижнего вывода с резистора R фиксирован на нулевом уровне, как в нашем случае, то потенциал выходного зажима будет отклоняться от этого уровня в положительном направлении в момент заряда и в отрицательном в момент разряда конденсатора.

Ток конденсатора дифференцирующей цепи связан с напряжением на нем выражением: .

Напряжение на резисторе R (оно же и выходное): .

Дифференцирующие цепи находят широкое применение в импульсных схемах для формирования коротких сигналов экспоненциальной формы, которыми осуществляется управление электронными переключающими устройствами.

Интегрирующие цепи.

Интегрирующей называется такая цепь, у которой постоянная времени (=RC) во много раз больше длительности входных импульсов, а выходное напряжение образуется на конденсаторе.

Для схемы, приведенной на рисунке, выходное напряжение образуется на конденсаторе:

.

Согласно закону Ома, для участка последовательной цепи, ток:

i_C=i_R=U_R/R,

следовательно,

При условии >>Ти напряжение Uс за время действия входного импульса возрастает незначительно, поэтому им можно пренебречь и считать UвхU_R в интервале от t₁ до t₂, в этом случае формулу можно записать:

,

то есть в интервале соответствующего промежутка времени выходное напряжение пропорционально интегралу от входного напряжения, что и определило название цепи. Как видно из рисунка, амплитуда выходного напряжения Uвых пропорциональна длительности прямоугольного импульса, поступающего на вход интегрирующей цепи.

Большим недостатком этой схемы является то, что по окончании входного импульса требуется довольно большое время Т=(35)>>Тн для возврата интегрирующей цепи в исходное состояние.

При импульсах, разделенных паузами небольшой продолжительности необходим быстрый возврат интегрирующей цепи в исходное состояние.

Для выполнения этого требования применяют шунтирование резистора R диодом VD.

Интегрирующие цепи применяются главным образом для подавления коротких импульсных помех значительной амплитуды, кроме того, эти цепи, обладая способностью переводить разницу длительностей входных импульсов, могут быть использованы для селекции импульсов по длительности.

Дифференциальные трансформаторы.

Те же функции, что и дифференцирующие цепи, может выполнять дифференцирующий трансформатор, при этом он изменяет соотношение между амплитудами входных и выходных напряжений, а так же полярность выходных импульсов.

Процессы, происходящие в дифференцирующем трансформаторе значительно сложнее процессов, происходящих в дифференцирующих RC- цепях, поэтому рассмотрим только качественную сторону явлений.

Перепад напряжений, поступающих на входной зажим, вызывает в трансформаторе возникновение неустановившегося режима, характер и длительность которого зависит от ряда факторов: индуктивности намагничивания трансформатора, индуктивности рассеяния, емкости между обмотками, а так же параметров обмотки.

Диодные ограничители.

Ограничителями называют устройства, пропускающие на выход часть входного напряжения, расположенную выше или ниже так называемого уровня ограничения.

Под уровнем ограничения понимается определенное значение напряжения (положительное, отрицательное или нулевое), по отношению к которому ограничитель обладает способностью пропускать импульсы соответствующего знака и амплитуды.

Различают ограничение двухстороннее, снизу и сверху.

Простейшими ограничителями являются диодные ограничители последовательного и параллельного типа.

Последовательный ограничитель снизу (см.рис.а) пропускает на выход ту часть входного напряжения, которая способна создать прямой ток в диоде VD (положительный импульс), а параллельный (см.рис.б)- ту часть, при которой диод VD запирается обратным напряжением.

Указанные схемы обеспечивают ограничение напряжения снизу на нулевом уровне, пропуская на выход только импульсы положительной полярности. При импульсах отрицательной полярности на входе выходное напряжение Uвых на выходных зажимах отсутствует, так как в первом случае к диоду приложено обратное напряжение, диод заперт и ток через резистор нагрузки Rнагр не протекает. Во втором случае диод VD шунтирует резистор Rнагр. В обоих случаях не происходит идеального ограничения и при входных отрицательных импульсах на выходе образуются небольшие отрицательные импульсы, что объясняется следующим.

В последовательном ограничителе наличие отрицательного напряжения на входе сопровождается прохождением обратного тока диода и Rнагр, что вызывает некоторое снижение напряжения на величину IобрRнагр на выходе. Эффект ограничения увеличивается с уменьшением обратного тока диода и уменьшением Rнагр.

Однако чрезмерное уменьшение сопротивления недопустимо, так как это увеличивает нагрузку источника Uвх и понижает амплитуду выходного сигнала при положительном импульсе на входе.

В параллельном ограничителе остаточное напряжение на выходе при отрицательном напряжении Uвх будет равно прямому падению напряжения в диоде Uпр и практически не зависит от сопротивления нагрузки. При положительном импульсе на входе часть положительного входного напряжения теряется в резисторе Rогр, предназначенного для защиты диода и источника входного напряжения от чрезмерного тока при отрицательном импульсе на входе.

Во избежание понижения амплитуды выходного напряжения необходимо выполнение условия Rнагр>>Rогр.

Последовательные ограничители применяют при низкоомных нагрузках, а параллельные- при высокоомных.

При необходимости ограничения на уровне, равном нулю, в схему диодного ограничителя вводят источник смещающего напряжения.

Схема обеспечивает ограничение на уровне +Е снизу. Источник смещающего напряжения включен встречно по отношению к направлению проводимости диода VD, поэтому на выход проходит только та часть входного напряжения, которая способна создать прямой ток в диоде выше уровня напряжения смещения. Когда диод заперт отрицательным входным напряжением- выходное напряжение равно нулю.

Ключевой режим транзистора.

Отличительной особенностью импульсных схем является широкое применение электронных ключей. Через идеальный разомкнутый ключ не протекает ток. Напряжение на идеальном замкнутом ключе равно нулю.

Наиболее широкое применение в качестве электронных ключевых элементов находят транзисторные каскады, в первую очередь каскад с ОЭ. Рассмотрим работу такого каскада в ключевом режиме. При рассмотрении воспользуемся графическим методом расчета транзисторных цепей.

Рисунок 1. Транзисторный ключ: а- простейшая схема,

б- траектория рабочей точки.

На рисунке (б) приведена выходная характеристика транзистора, на которой нанесена нагрузочная линия, пересекающая оси координат в точках: Uк=Ек, при i_к=0 и Uк=0, при i_к=Ек/Rк.

В ключевом режиме транзистор может находится в двух основных состояниях:

1. Состояние (режим) отсечки ("ключ разомкнут"). При этом через транзистор протекает минимальный ток. Это состояние соответствует точке А на выходной характеристике (рис.1,б), i_к=Iкбо0, напряжение на транзисторе UкЕк.

Рисунок 2. Схемы замещения транзистора в режимах отсечки (а) и насыщения (б).

Транзистор в режиме отсечки может быть представлен следующей схемой замещения (рис.2,а), содержащей только один источник тока Iкбо, включенный между базой и коллектором.

Для того, чтобы транзисторный ключ находился в разомкнутом состоянии, необходимо выполнить условие отсечки: сменить в обратном направлении эмиттерный переход транзистора или для n- p- n транзистора выполнить условие:

Uб<0. (1)

Мощность, теряемая в режиме отсечки на транзисторном ключе Рк=i_кU_к мала, так как мал ток.

2. Состояние (режим) насыщения ("ключ замкнут"). Минимальное напряжение на транзисторе Uк=U_КЭ,Н0 соответствует точке В на выходной характеристике (рисю1,б). Ток через транзистор ограничен резистором R и определяется:

Iк,н=(Ек-U_КЭ,Н)/RкЕк/Rк (2).

В режиме насыщения оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, поэтому напряжения между электродами транзистора малы. Транзистор в режиме насыщения представлен схемой замещения (см.рис. 2, б), которая соответствует короткому замыканию между всеми электродами транзистора (говорят, что "транзистор стянут в точку").

Режим насыщения достигается уже при

i_Б=I_Б,Н=I_К,Н/h_21Э.

Дальнейшее увеличение тока базы i_Б>I_Б,Н не изменяет тока в коллекторной цепи. Таким образом, условие насыщения транзистора записывается в виде:

i_Б >>I_Б,Н=I_К,Н/h_21Э (3)

где I_К,НЕк/Rн.

Для надежного насыщения транзистора необходимо, чтобы условие (3) выполнялось при h_21Э= h_21Эmin. Величина Sн= i_Б/I_Б,Н>>1 называется коэффициентом насыщения транзистора.

Как и в режиме отсечки, в режиме насыщения мощность, теряемая на транзисторном ключе Рк=i_кU_к мала, так как мало напряжение. Напряжение U_КЭ,Н приводится в справочниках, для создания электронных ключей следует выбирать транзисторы с малым U_КЭ,Н<<Ек.

При работе транзисторного ключа переключение из открытого состояния в разомкнутое и обратно происходит скачком, потери мощности при этом, как правило, незначительны. Таким образом, работа транзистора в ключевом режиме характеризуется малыми потерями мощности и высоким КПД, что является важным преимуществом по сравнению с полупроводниковыми устройствами.