4.4 Переключатель тока

Дифференциальный усилительный каскад (см.3.4.12) широко используется в качестве ключевой схемы. Схема получила свое название вследствие того, что ток I₀ генератора стабильного тока (ГСТ) переключается входным напряжением из одного транзистора в другой (рисунок 4.3а).

а б

а – схема ключа; б – диаграмма для пояснения условий переключения.

Рисунок 4.3 – Переключатель тока

На базу транзистора VT2 подано опорное напряжение, а на базу VT1– входной сигнал. Так как эмиттеры VT1 и VT2 соединены вместе, то разность потенциалов U_вх – U_оп делится между напряжениями база-эмиттер первого (U_бэ1) и второго (U_бэ2) транзисторов.

Если на вход подано напряжение U_вх > U_оп, то VT1 открыт (так как для него U_бэ1 – прямое напряжение, а VT2 – закрыт, так как для него U_бэ2 – обратное напряжение. При этом на коллекторе VT1 – низкое напряжение, а коллекторе VT2 – высокое.

Если на вход подано напряжение U_вх < U_оп, то открыт будет VT2, а VT1 – закрыт и на первом выходе будет высокий потенциал, а на втором – низкий.

Рассмотренная схема обладает парофазными выходами, то есть, один выход работает как повторитель, а второй – как инвертор. Схемы на переключателях тока обладают повышенным быстродействием, так как для переключения транзисторов достаточны перепады напряжения порядка долей вольта (см.п.3.4.12). роме того, транзисторы ключа могут работать в активном режиме, что исключает время на рассасывание избыточных носителей в базе.

Так как одно из плеч работает в режиме повторителя, то упрощаются вопросы согласования каскадов.

4.5 Компаратор

В качестве ключевой схемы можно использовать ОУ без ООС. Коэффициент усиления ОУ достигает значения 10⁴-10⁶ и для перевода ОУ из одного состояния насыщения в другое достаточны перепады входного напряжения, равные единицам мВ. Например, при U_{вых max} =10 и К_у = 10⁴

На рисунке 4.4а приведены передаточные характеристики ОУ с ООС и без нее. ОУ в нелинейном режиме чаще всего используется в качестве компаратора (различителя).

а б

а – передаточная характеристика; б – схема.

Рисунок 4.4 – Компаратор на ОУ

Компаратором называется устройство для сравнения двух напряжений. Схема компаратора приведена на рисунке 4.4б и представляет собой ОУ без ООС, используемый как усилитель с дифференциальным входом.

Выходное напряжение усилителя на ОУ с дифференциальным входом определяется соотношением (см.п.3.4.14)

U_вых = K_n(U₂ – U₁) .

В зависимости от того, какое напряжение больше (U₂ или U₁), ОУ будет находиться в области или положительного, или отрицательного насыщения. Компаратор используется в качестве порогового элемента, а также как составной узел некоторых импульсных схем.

4.6 Мультивибратор

Мультивибратор – это генератор периодически повторяющихся импульсов, по форме приближающихся к прямоугольной. В отличие от генераторов гармонических колебаний в мультивибраторе условия самовозбуждения выполняются в диапазоне частот. В результате сложения ряда гармонических составляющих выходное напряжение получается в виде прямоугольных импульсов.

На рисунке 4.5а приведена схема симметричного мультивибратора с коллекторно-базовыми связями на транзисторах.

а б

в

а – базовая схема; б – схема с отключающими диодами; в – упрощенные диаграммы работы.

Рисунок 4.5 – Мультивибратор на транзисторах

Мультивибратор состоит из двух ключевых схем на транзисторах VT1 и VT2, охваченных положительной обратной связью с помощью емкостей C1 и C2. Упрощенно процесс работы мультивибратора можно представить следующим образом.

При подаче питающего напряжения, вследствие некоторой несимметрии схем, один из транзисторов окажется открытым, а второй – закрытым. Допустим, что в исходном состоянии VT1 – открыт, а VT2 – закрыт. При этом одновременно происходят два процесса: заряд емкости C2 и разряд-C1.

Заряд С2 осуществляется по цепи: +U_n(); переход Э-Б VT1; C2; R4; -U_{п .} Заряд осуществляется с постоянной _з = R₄ * C₂.

Разряд C1 происходит по цепи: +C1; R2; -U_п; +U_п; переход Э-К VT1; -C1. Постоянная цепи разряда, определяемая из выражения

_раз = C1 ^. R2,

_раз  _зар так как R₂ >> R₄, а С1 = С2.

Напряжение на емкости C1 является запирающим для VT2 и, как только в процессе разряда оно приблизится к нулю, транзистор VT2 из режима насыщения начнет переходить в активный режим. Напряжение на коллекторе VT2 начнет падать. Этот перепад напряжения с помощью C2 поступает на базу VT1, закрывая его. Это в свою очередь вызывает повышение напряжения на коллекторе VT1. Перепад напряжения с коллектора VT1 через C1 подается на базу VT2, еще больше открывая его. За счет действия двух цепей ПОС процесс переключения транзисторов развивается лавинообразно и, в конечном итоге, VT1 переходит в закрытое состояние, а VT2 – в открытое. Диаграммы работы мультивибратора приведены на рисунке 4.5в. В момент времени t₁ начинается заряд C1 и разряд C2. При этом C1 заряжается по цепи: +U_п(); переход Э-Б VT2; C1; R1; -U_п, а C2 разряжается по цепи: +C2; R3; -U_п; +U_п; переход Э-К VT2; -C2.

Разряд продолжается до тех пор, пока напряжение на С2 не приблизится к нулю. Далее развивается процесс переключения транзисторов, и схема возвращается в исходное состояние – момент времени t₃ (рису- нок 4.5в). Если R₂ = R₃ = R_б, а C₁ = C₂ = C_б, то длительность импульса и паузы одинаковы и период колебаний мультивибратора определяется из соотношения

T  1,4 C_б ^. R_б . (4.7)

Если необходимо иметь различные длительности импульса и паузы, то элементы R2,R3,C1,C2 выбирают таким образом, чтобы R2 * C1  R3*C2. Для работы импульсных устройств необходимо иметь импульсы прямоугольной формы. Выходное напряжение рассмотренной схемы имеет фронт экспоненциальной формы за счет протекания тока заряда емкости через коллекторное сопротивление (R1; R4) закрытого транзистора. Выходное напряжение равно напряжению на коллекторе транзистора и определяется соотношением

U_вых = U_к = U_п - I_R4 ^. R₄.

Для улучшения формы импульса используют отключающие диоды VD1 и VD2 (рисунок 4.5б). Когда транзистор VT1 закрыт, на его коллекторе напряжение равно –U_п и диод VD1 будет закрыт, так как к аноду приложено отрицательное напряжение. Заряд емкости C1 будет происходить по цепи: +U_п; переход Э-Б VT2; C1; R2; -U_п. Через резистор R1 ток заряда не протекает, и фронт импульса не искажается. Аналогично протекают процессы при заряде емкости C2. Диод VD2 исключает протекание зарядного тока через сопротивление R6. Зарядный ток протекает через R5.

Сравнительно просто реализуется мультивибратор с использованием ОУ. Схема такого мультивибратора приведена на рисунке 4.6.

а б

а – схема; б – диаграммы работы.

Рисунок 4.6 – Мультивибратор на ОУ

В состав мультивибратора входит компаратор на ОУ (DA), цепь ПОС (R1,R2), интегрирующее звено (C; VD1,R3; VD2, R4). При подаче питания ОУ входит в режим насыщения. Допустим, что на выходе ОУ при включении появилось напряжение +U_вых.max. При этом начинается заряд емкости С1 по цепи: выход ОУ (U_вых); R3; VD1; C; общая шина. Диод VD2 в этот момент времени закрыт, так как на его катоде положительное напряжение. Заряд емкости будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на ней не станет равным напряжению на неинвертирующем входе ОУ, которое определяется из соотношения

. (4.8)

Как только U_с превысит U_о, ОУ переключается в область отрицатель­ного насыщения, то есть на выходе ОУ появляется –U_{вых max}. В этот момент времени начинается перезаряд емкости по цепи: +C1; VD2; R2; выход ОУ (-U_вых.max;общая шина) и, кроме того, напряжение U₀ изменило свой знак. Перезаряд емкости будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на ней не станет меньше -U₀ и ОУ вернется в исходное состояние. Далее процессы, происходящие в схеме, будут повторяться. Диаграммы работы мультивибратора приведены на рисунке 4.6б. Приведенная схема позволяет получить разной длительности импульсы и паузы (изменяем соотношения R1 и R2). Если необходим мультивибратор с одинаковыми _и и _п, то взамен цепочек VD1,R1; VD2,R2 достаточно поставить один резистор.