1.6.6. Дослідження інтегруючих rc-схем

Перехідна характеристика інтегруючих RC-схем

В інтегруючих колах за відповідних умов вихідна напруга пропорційна інтегралу за часом від вхідної напруги: U_вих = a  U_вх dt .

В

Рис.1.17.Перехідні процеси в інтегруючій схемі: а - вхідний сигнал; б – зміна напруги на резисторі; в – перехідна характеристика.

ідмінності кіл, що інтегрують, від тих, що диференціюють, полягає в тому, що вихідна напруга знімається з конденсатора (рис.1.17, в). Використовують ці кола для отримання лінійно змінюваних пилоподібних напруг, а також для реалізації операцій інтегрування. Для виконання такої операції необхідно, щоб стала часу кола  була значно більшою від тривалості вхідного імпульсу >>t_iвх, а для синусоїдального сигналу – RC >> 1/. В електронних пристроях завжди проявляються дії паразитних ємностей, ємностей навантаження та частотні обмеження активних і пасивних компонентів. Ці процеси моделюються за допомогою інтегруючих схем. Вивчення та аналіз таких схем дозволить грамотно оцінювати їх вплив на формування та передачу ЕІС. При подачі на вхід східчастої (рис.1.17а) напруги у початковий момент (t = 0) вся вхідна напруга прикладена до резистора (рис.1.17б), а напруга на виході конденсатора дорівнює нулю (рис.1.17в). Конденсатор починає заряджатись зі сталою часу  = RC. Струм поступово зменшується, що обумовлює зменшення спаду напруги на резисторі, а на виході (U_вих = U_с) напруга зростає до значення U_вих = U_вх.

Перехідний процес так само, як і у диференціюючих ланцюжках оцінюють за 3 при фіксації на рівні (0,05  0,95) U_вих. Ці величини визначають протяжність перехідного процесу під час переключення схеми, тривалість переднього фронту ( ), а відтак – і швидкодію пристрою.

Коли на вхід інтегруючої схеми поступає послідовність імпульсів прямокутної форми тривалістю t_і, то для їх передачі без суттєвого спотворення необхідно, щоб стала часу була мала ( << t_і). У цьому випадку вихідна напруга відтворює форму вхідних імпульсів, оскільки конденсатор встигає повністю зарядитись за час, який становить дуже малу частку тривалості імпульсу. При цьому тривалість по відношенню до буде незначною. Якщо

 >> t_і форма імпульсів на виході суттєво спотворюється. Відбувається процес інтегрування.

За час дії імпульсу конденсатор повільно заряджається, а напруга на ньому не встигає досягти напруги U_вх. По закінченні вхідного імпульсу конденсатор так само повільно розряджається. Таким чином, на ємнісному виході формуються розтягнуті імпульси, які мають форму експоненціальної пилки. Такі спотворення вхідних імпульсів не завжди допустимі. У цьому випадку тривалість переднього фронту вихідного імпульсу дорівнює тривалості інформаційного імпульсу t_i.

Зрозуміло, що час заряду та розряду конденсатора визначає також мінімальний період вхідних імпульсів і швидкодію.

Форма вихідних імпульсів за різних співвідношень подана на рис.1.18.

Н аявність інтегруючих схем викликає спотворення вихідних сигналів – затягування переднього фронту (t_ф). Зазвичай при оцінці допустимих спотворень вважають t_ф =0.1 t_{і .}

А

Рис.1.18. Форми імпульсів на виході інтегруючих схем а) τ>>t_i; б) τ>t_i; в) 3τ=t_i; г) τ<< t_i .

наліз наведених осцилограм показує, яким чином співвідношення t_i /τ впливає на форму вихідних імпульсів. Верхні три випадки демонструють процес інтегрування вхідних імпульсів. Зверніть увагу на те, що чим більше співвідношення t_i /τ тим точніше відбувається процес інтегрування, тим ближче вихідний сигнал наближається до лінійної пилоподібної напруги (1-ша та 2-га осцилограми). На третій осцилограмі вже помітний експоненціальний закон зміни вихідної напруги. Нижня осцилограма свідчить щодо передачі імпульсів з допустимими спотвореннями ( << ).

Частотна характеристика інтегруючої RC-схеми

Для одержання АЧХ в формулу 1.1 замість R2 підставляємо комплексний опір конденсатора. Одержуєм вираз для комплексного коефіцієнта передачі, модуль якого визначається: и (1.4)

Для постійної складової та для області середніх частот, коли впливом конденсатора ще можна знехтувати =1.

Інтегруючі схеми зі збільшенням частоти зменшують амплітуду вихідного сигналу, коефіцієнт передачі падає.

Якщо частота вхідного сигналу досягає величини  =1/τ_в, то модуль коефіцієнта передачі зменшується у рази. Таким чином, інтегруючі схеми пропускають сигнали із частотою від  = 0 і до  = _в, тобто є фільтрами нижніх частот (рис.1.13б).

У схемах завжди є паразитні ємності монтажу, активних та пасивних елементів. Вони зумовлюють обмеження діапазону частот інформаційних сигналів, що передаються на вихід схеми.

Частотні і перехідні характеристики пов’язані між собою. Розширення частотного діапазону в області верхніх частот обумовлює зменшення тривалості перехідних процесів, збільшення швидкодії схеми, зменшення тривалості переднього фронту імпульсу на виході. Поданий матеріал ґрунтовно використовується при вивченні та дослідженні RC – підсилювачів та підсилювачів постійного струму(див.8.3 та 8.5).

На завершення цієї теми на рис. 1.19 подані зміни форми вихідних сигналів в залежності від співвідношення сталих часу диференціюючих та інтегруючих схем і тривалостей поданих вхідних сигналів.

Диференціюючі та інтегруючі схеми будують з використанням RL елементів . Їх властивості та параметри співпадають з RC схемами при рівності сталих часу . Розуміння та засвоєння таких співвідношень дозволить грамотно та оперативно оцінити спроможність пристроїв обробляти ЕІС.

Рис. 1.19. Залежність форми вихідних імпульсів диференціюючих (а) та інтегруючих (б) RC-схем від співвідношення t_i та .