8 Импульсные устройства

1. Виды и параметры импульсных сигналов

В настоящее время в радиоэлектронике используются сигналы двух видов: аналоговые и дискретные (рис. 8.1). Аналоговые сигналы имеют непрерывный характер и в заданном диапазоне уровней могут принимать любые значения напряжений и токов. Дискретные сигналы имеют прерывистый характер, как по времени, так и по уровню.

Устройства, использующие дискретные сигналы работаю в импульсном режиме, при котором чередуются рабочие моменты и паузы. Под электрическим импульсом понимают кратковременное изменение тока и (или) напряжения, которое может происходить по различным законам, что определяет форму импульсов (рис.8.2).

Принято различать следующие участки импульса (рис. 8.2, а): фронт (AB), вершина (BC), срез (CD), основание (AD). Фронт соответствует быстрому нарастанию сигнала до максимального значения; вершина – сравнительно медленному изменению сигнала в течение некоторого промежутка времени; срез – быстрому убыванию импульса.

Реальный прямоугольный импульс отличается от идеализированного вследствие переходных процессов, происходящих в цепях. Параметрами импульса (рис.8.3) являются:

– амплитуда импульса U_m, определяет наибольшее напряжение импульсного сигнала;

– длительность импульса t_u, характеризует продолжительность импульса во времени. Ее измеряют на уровне, соответствующем половине амплитуды. При относительно малых продолжительностях двух крайних участков импульса длительность t_u определяют по его основанию;

– длительность фронта t_ф и длительность среза импульса t_с, характеризуют соответственно время нарастания и спада импульса;

– спад вершины импульса U отражает уменьшение напряжения на плоской части импульса.

Параметрами последовательности импульсов (рис.8.4) являются:

– период повторения импульсов Т, интервал времени между соответствующими точками (например, между началами) двух соседних импульсов;

– частота повторения импульсов f, величина, обратная периоду повторения f = 1/ Т;

– пауза t_п, интервал времени между окончанием одного и началом следующего импульса: t_п = Т – t_u;

– коэффициент заполнения , отношение длительности импульсов к периоду их следования:  = t_u / Т;

– скважность импульсов q, величина обратная коэффициенту заполнения: q = Т / t_u = 1/ .

2. Ключевой режим работы биполярного транзистора

Одним из основных элементов импульсной техники является транзисторный ключ. Главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме, состоит в замыкании (режим насыщения) и размыкании (режим отсечки) цепи питания нагрузки. Построение ключевой схемы подобно усилительному каскаду.

Ключевая схема на биполярном транзисторе типа р-n-р приведена на рис.8.5, а. Транзистор VT выполняет функцию ключа в последовательной с резистором R_к и источником питания Е_к цепи. Для анализа ключевой схемы воспользуемся графо-аналитическим методом с использованием линии нагрузки по постоянному току (прямая Т₁Т₂, рис.8.5, б). Точки пересечения линии нагрузки с ВАХ транзистора определяют напряжение на элементах и ток в последовательной цепи.

Режим отсечки достигается подачей на вход транзистора напряжения положительной полярности (U_вх > 0). При этом эмиттерный переход транзистора запирается (U_бэ > 0) и его ток I_э = 0. Вместе с тем через резистор R_б протекает незначительный обратный ток коллекторного перехода I_к0. Режиму закрытого состояния транзистора соответствует точка Т₃ (рис. 8.5, б).

Протекание через нагрузку тока I_к0 связано с тем, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полного отключения нагрузочного резистора R_к от источника питания. Малое значение тока I_к0 является одним из критериев выбора транзистора для ключевого режима работы.

Выходное напряжение практически равно напряжению питания

.

(8.1)

Величину запирающего входного напряжения выбирают из условия

.

(8.2)

Перевод транзистора в открытое состояние достигается изменением полярности входного напряжения (U_вх < 0) и заданием соответствующего тока базы. Открытое состояние транзистора характеризует точка Т₄ на линии нагрузки. Через транзистор VT и резистор R_к протекает ток

(8.3)

где U_{кэ.откр} – падение напряжения на транзисторе в открытом состоянии, В.

Напряжение U_{кэ.откр} является одним из основных параметров импульсного режима работы транзистора и должно быть минимальным. В зависимости от типа транзистора напряжение U_{кэ.откр} = (0,05…1) В. Ввиду относительного малого остаточного напряжения по сравнению с Е_к расчет тока I_к открытого транзистора проводится по формуле

.

(8.4)

Пропорциональная зависимость между токами I_к и I_б сохраняется до некоторого граничного значения тока базы I_б.гр

.

(8.5)

Таким образом, точка Т₀ (рис. 8.5, б) представляет собой точку пересечения линии нагрузки с начальным участком коллекторной характеристики транзистора при I_б = I_б.гр. При дальнейшем увеличении тока базы (I_б > I_б.гр) напряжение U_{кэ.откр} остается практически неизменным.

Режим работы открытого транзистора при I_б > I_б.гр называют насыщенным, а отношение

(8.6)

– коэффициентом насыщения транзистора. Для надежного открытия транзистора этот коэффициент должен быть в пределах S = 1,5…3.

Ток базы транзистора в режиме насыщения

.

(8.7)