9. Генераторы пилообразного напряжения

9.1. Принцип получения пилообразного напряжения

Генераторы пилообразного напряжения используются в осциллографах, радиолокационной и измерительной технике, cхемах преобразования информации и в ряде других устройств.

П

Рис. 9.1

Рис. 9.1

о другому, их еще называют генераторами линейноизменяющегося напряжения (ГЛИН). Различают положительное и отрицательное, а также нарастающее и спадающее пилообразные напряжения. На рис. 9.1 приведено положительное нарастающее пилообразное напряжение. Напряжение пилообразной формы (рис. 9.1) характеризуется двумя промежутками времени: временем рабочего хода , в течение которого напряжение изменяется по линейному закону, и временем восстановления , в течение которого напряжение возвращается к исходному значению. Закон изменения напряжения за время восстановления обычно несущественен, однако необходимо выполнение условия >> .

Для получения пилообразного напряжения в схеме генератора необходимо обеспечить в течение времени заряд или разряд некоторого конденсатора большой емкости постоянным током. Действительно, если = Ic =const, то напряжение на конденсаторе

, (9.1)

т. е. для получения идеальной линейности напряжения на конденсаторе ток заряда должен быть постоянным. Напряжение для большинства генераторов является выходным или передается на выход через повторитель.

Требование постоянства тока вытекает также из выражения для скорости заряда (разряда) конденсатора постоянным током:

. (9.2)

Чтобы оценить степень линейности напряжения за время рабочего хода, вводят коэффициент нелинейности

. (9.3)

Подставляя (9.2) в формулу (9.3), получаем

. (9.4)

Генераторы пилообразного напряжения, или, по-другому, генераторы линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН), характеризуются также коэффициентом использования напряжения источника питания EП

, (9.5)

относительными нестабильностями начальной скорости и начального уровня напряжения.

Важными характеристиками являются быстродействие, нагрузочная способность, возможность регулировки уровня выходного сигнала, экономичность и другие.

9.2. Схемы построения генераторов

Схема простейшего генератора линейно возрастающего напряжения и временные диаграммы входного и выходного напряжений схемы приведены на рис. 9.2, а, б соответственно. В исходном состоянии транзистор находится в

а б

Рис. 9.2

режиме насыщения. Пренебрегая остаточным напряжением насыщенного транзистора, следует принять, что (0) 0. В момент времени транзистор под действием входного импульса запирается. Если не учитывать время переходных процессов в транзисторе, то можно считать, что ток через конденсатор в момент времени скачком возрастает до значения

. (9.6)

По мере заряда конденсатора напряжение возрастает по экспоненциальному закону с постоянной времени = , стремясь к значению :

, (9.7)

где U₀ – напряжение на открытом транзисторе.

При расчете учтем то, что сопротивление закрытого транзистора намного больше, чем и , поэтому получим:

, .

Амплитуда ЛИН за время рабочей стадии t_р равна:

. (9.8)

Коэффициент нелинейности, рассчитанный по выражению (9.3), . (9.9)

Если t_р<< , тогда

. (9.10)

Ток уменьшается с той же постоянной времени:

. (9.11)

В момент времени , когда транзистор снова открывается, ток через конденсатор

. (9.12)

Формула (9.10) c учетом (9.6) и (9.12) приобретает вид

, (9.13)

где – амплитуда выходного напряжения. При << разложим экспоненту в степенной ряд и ограничимся первыми двумя членами. Тогда формула (9.13) будет иметь вид

. (9.14)

После момента времени транзистор открывается и под действием базового тока ток коллектора изменяется по экспоненциальному закону, т.е начинается стадия восстановления, при этом транзистор будет находиться в активном режиме, пока не произойдет разряд конденсатора. Время восстановления, определяемое с момента окончания времени t_р = t_и до момента времени, когда транзистор входит в режим насыщения, определяется формулой

, (9.15)

где – величина заряда конденсатора,

I_разр – ток разряда.

Длительность рабочей стадии определяется как .

Вводя в формулу (9.15) величину степени насыщения транзистора S, получим

. (9.16)

Таким образом, для уменьшения времени обратного хода следует увеличивать степень насыщения транзистора. Однако при этом выходное напряжение генератора задерживается относительно момента подачи входного сигнала на время t_рас, обусловленное рассасыванием носителей в базе.