Электронные генераторы. Фильтры учебное пособие

Рассмотрим работу гридлика на примере базового автосмещения. На рис. 2.13,б показана схема трансформаторного LC-автогенератора с гридликом в базовой цепи. Гридлик (Rc, Cc) включен последовательно с эмиттерным p-n-переходом. Эмиттерный переход является диодом, а гридлик − нагрузкой однополупериодного выпрямителя на этом диоде. На этот однополупериодный выпрямитель (эмиттерный p-n-переход с гридликом) подается переменное напряжение обратной связи UОС с обмотки обратной связи WОС. Пока колебаний нет, нет и выпрямленного напряжения на нагрузке – гридлике, т. е. Uсм(0) = 0 (аналогично режиму покоя в классе B усилителей). Для германиевых транзисторов этого достаточно для самовозбуждения. Для кремниевых транзисторов (диодов) с порогом Uпор ≈ 0,6…0,7 В на прямой ветви вольт-амперной характеристики для гарантированного «мягкого» самовозбуждения задают на базу прямое смещение UБА (аналогично режиму покоя в усилителях) при условии, что

UБА ≥ Uпор .

На рис. 2.13,б прямое смещение UБА подается от +Eп через резистор RБ. При отсутствии колебаний делитель RБ, Rс задает режим покоя UБА. При появлении колебаний напряжение UОС выпрямляется и на конденсаторе Сс гридлика появляется постоянное напряжение автосмещения Uсм с полярностью, указанной на схеме. Напряжение Uсм – обратное напряжение для эмиттерного p-n-перехода (диода). Оно изменяет общее смещение UБ на базе транзистора:

UБ = UБА −Uсм .

На рис. 2.13,в приведены временные диаграммы UOC иUcм(t), поясняющие процесс установления устойчивого режима II рода свысоким КПД. Сначала при UБ = UБА происходит «мягкое» самовозбуждение с малой амплитудой колебаний. Амплитуда колебаний быстро увеличивается, и амплитуда UОС начинает превышать Uпор. С этого момента эмиттерный p-n-переход начинает закрываться при отрицательной полуволне, а на коденсаторе появляется

131

автосмещение Uсм (выпрямленное напряжение), так как при положительной полуволне UОС через эмиттерный переход и через Сс протекает прямой ток iБ, который заряжает конденсатор Сс. При отрицательной полуволне UОС эмиттерный переход закрыт, ток непротекает (iБ = 0). Конденсатор Сс при отрицательной полуволне разряжается через резисторыRБ, Rс спостоянной разряда τp:

τр = Сс (RБ Rс ) .

Элементы гридлика (постоянную разряда τp) выбирают так, чтобы установился устойчивый режим колебаний с постоянным смещением Uсм0 (см. рис. 2.13,в) и амплитудой Um с заданным углом отсечки θзад. Резистор Rc в схеме необязателен. При его отсутствииτ р = Cc RБ . Однако резистор Rc упрощает на-

стройку заданного режима генератора, и его часто включают в схему. Окончательно величины элементов гридлика выбираются при настройке.

Элементы гридлика оказывают стабилизирующее влияние на режим колебаний. Пусть, например, увеличится амплитуда колебаний Um. Увеличение Um приведет к увеличению автосмещения Uсм в запирающем направлении, что, в свою очередь, приведет к восстановлению (приближенно) амплитуды.

Следует отметить, что при неправильной настройке гридлика (очень большой τр) напряжение смещения UБ станет таким, что эмиттерный переход не будет открываться и ток зарядки конденсатора Сс не будет протекать. Транзистор не будет открываться, колебательный контур LC не будет пополняться энергией, колебания затухнут. Появятся они снова после разрядки конденсатора Сс и восстановления условий самовозбуждения. Таким же образом могут возникнуть и прерывистые колебания. Возможны также биения колебаний.

Гридлик применяется и в маломощных автогенераторах переносной аппаратуры с автономным питанием (от гальванических элементов). В таких генераторах применяется режим II рода для экономии энергии источников питания.

132

Глава 3

ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

В радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), особенно в импульсных и цифровых устройствах, широко используют импульсные сигналы различной формы. Устройства, генерирующие такие сигналы, называют импульсными генераторами. Наиболее распространенные импульсные генераторы будут рассмотрены далее.

3.1. Импульсные сигналы и их параметры

Импульсными сигналами (импульсами) называют

с длительностью установления электрических процессов в действующей системе. Различают одиночные импульсы и импульсные последовательности. Сигнал, сохраняющийся длительное время, называют перепадом.

Одиночный импульс. Форма импульсов может быть самой разнообразной. На практике чаще используют прямоугольные (рис. 3.1,а), трапецеидальные (рис. 3.1,б), треугольные (рис. 3.1,в) ипилообразные (рис. 3.1,г) импульсы. Количественно импульс характеризуется следующими основными параметрами (рис. 3.2,а): амплитудой Um; длительностью tи; длительностью переднего фрон-

та tф1 (или просто фронта tф), длительностью заднего фронта tф2 (илиспада tc); снижением вершины ∆ U .

Рис. 3.1

133

Иногда для характеристики используют крутизну фронта

Sф1 = Um . tф1

Часть указанных параметров может быть равна нулю. Например, если tф1 = tф2 = ∆ U= 0 , то получается идеальный прямо-

угольный импульс.

Рис. 3.2

Все указанные параметры имеют точный смысл только для идеализированного импульса, показанного на рис. 3.2,а. Форма реального импульса всегда отличается от формы идеального и может к ней только в той или иной мере приближаться. Поэтому при определении параметров реального импульса вводят понятие об условных уровнях отсчета. Например, часто под длительностью фронта tф1 понимают интервал времени, в тече-

которого напряжение (ток) падает от 0,9Um до 0,1Um . За длительность импульса tи принимают интервал времени, в течение которого напряжение U (t) не меньше 0,1Um (рис. 3.2,б). Отсчет параметров на уровнях 0,9Um и 0,1Um не обязателен. Можно принять другие уровни, но необходимо обязательно их указать.

134

Импульсные последовательности. В импульсных устрой-

ствах очень часто импульсы следуют друг за другом через равные промежутки времени, образуя импульсную последовательность. На рис. 3.3 показана последовательность прямоугольных импульсов. Каждый импульс характеризуется параметрами, приведенными выше. Для введения дополнительных парамет-

дем считать каждый отдельный импульс идеальным, как это и показано на рис. 3.3 (в действительности же каждый импульс реален). Дополнительными параметрами являются период повторения T или частота повторения F = 1/ T ; длительность паузы tп; скважность q = T / tи или коэффициент заполнения

γ= tи / T = 1/ q . При этом tи = γ T , а T = q tи .

3.2.Транзисторные мультивибраторы

3.2.1.Общие сведения о мультивибраторах

ВРЭА чаще других используются прямоугольные импульсные сигналы (точнее близкие к прямоугольным). Генерируются (производятся) прямоугольные импульсы, как правило, при помощи мультивибраторов (МВ). Мультивибраторами называются электронные устройства (схемы), генерирующие прямоугольные импульсы напряжения (тока) под воздействием процессов заряда-разряда конденсаторов в RC-цепях. Такие процессы называют релаксационными, а МВ часто называют релаксационными генераторами.

Мультивибраторы могут работать в автоколебательном и ждущем (заторможенном) режимах. В автоколебательном режиме импульсы на выходе (выходах) МВ следуют непрерывно

135

друг за другом с периодом повторения T (с частотой F = 1/ T ) без всяких внешних воздействий. МВ в автоколебательном режиме далее будем называть просто мультивибраторами. В жду-

(импульса), подаваемого на вход МВ. Такие мультивибраторы называют одновибраторами (ОВ). Те и другие (МВ и ОВ) могут быть выполнены на транзисторах (дискретные МВ), на логических элементах (МВ– ЛЭ), на операционных усилителях (МВ– ОУ), а также могут быть интегральными (МВ– ИС). Будут рассмотрены все указанные МВ, поскольку все они применяются в электронике.

Наиболее просто и наглядно работа МВ может быть показана на примере транзисторного МВ. К тому же процессы, обусловливающие работу транзисторного МВ, в той или иной мере присущи всем остальным МВ.

3.2.2. Схема транзисторного МВ и ее работа

Транзисторные МВ могут быть выполнены с коллекторнобазовыми или с эмиттерными связями. Первые применяются чаще, поэтому далее рассматривается МВ с коллекторно-базовыми связями, схема которого приведена на рис. 3.4,а. На рис. 3.4,б показаны временные диаграммы напряжений в схеме. Схема состоит из двух плеч (каскадов, половин): левого плеча (каскада) на транзисторе VT1 с резистором RК1 и правого – на транзисторе

VT2 с резистором RК2 . Резисторы R1, R2 и конденсаторы С1, С2

образуют времязадающие цепи R1, С1 и R2, С2. Выход (коллектор) одного плеча (например, Вых. 2) соединен со входом другого (базой VT1) через конденсатор С1, а выход другого плеча (Вых. 1)

– через конденсатор С2 с базой VT2. Такой мультивибратор называют симметричным. Обычно элементы того и другого плеча выбирают одинаковыми (С1 = С2 = С, R1 = R2 = R, RК1 = RК2 = RК ).

136

(в конце полупериодов Т1, Т2) определяются внутренними процессами заряда-разряда конденсаторов С1, С2. Переход из одного состояния в другое, называемый опрокидыванием (переключением), происходит очень быстро (практически мгновенно). Это обусловлено тем, что оба транзистора при опрокидывании находятся в активной области и МВ можно представить двухкаскадным усилителем с глубокой положительной обратной связью, которая и определяет быстрое переключение. В квазиустойчивом состоянии обратная связь разрывается (напряжение и ток не изменяются). Все это легко прослеживается в работе схемы транзисторного МВ.

Рассмотрим установившийся режим колебаний МВ. Временные диаграммы изменения напряжений в схеме в этом режиме приведены на рис. 3.4,б.

Замечание. Сразу после включения напряжения питания Еп оба транзистора открываются и находятся в усилительном (активном) режиме. Под действием положительной обратной связи в схеме возникают релаксационные колебания. Они нарастают, и очень быстро в схеме достигается установившийся режим колебаний, который и отражен в диаграммах на рис. 3.4,б. Такой режим возникновения колебаний называют «мягким» самовозбуждением.

Вообще при включении питания (особенно при медленном его увеличении) теоретически возможен «жесткий» режим самовозбуждения колебаний, при котором оба транзистора (инвертора) оказываются в режиме насыщения и остаются в нем. Для возбуждения колебаний необходимо внешнее воздействие. Такой режим нежелателен, и его стараются исключить. Для транзисторного МВ вероятность «жесткого» самовозбуждения чрезвычайно мала, так как у дискретных транзисторов имеется значительный разброс в параметрах, что и обеспечивает «мягкое» самовозбуждение. Кроме того, включение Еп толчком (что и происходит практически всегда) тоже способствует «мягкому» самовозбуждению.

138

Полупериод Т1 (0 ≤ t ≤ t1). Пусть в момент t = 0 произошло очередное опрокидывание, в результате которого транзистор VT1 оказался закрытым (в режиме отсечки), а транзистор VT2 – открытым (в режиме насыщения). Напряжение и токи после опрокидывания имеют следующие величины:

– для закрытого транзистора VT1

– для открытого транзистора VT2

Для выполнения последнего условия необходимо определенное соотношение между R и RК:

Транзистор VT1 в закрытом состоянии принудительно удерживается за счет разряда конденсатора С1. Заряженный в предыдущем полупериоде (Т2) с полярностью, указанной на рис. 3.4,а, онпосле опрокидывания оказался подключенным положительной обкладкой к нулевому (общему) проводу через насыщенный транзистор VT2, а отрицательной обкладкой – к базе транзистора VT1. В результате к эмиттерному переходу VT1 подключено в обратном (запирающем) направлении все напряжение конденсатора С1, равное приближенно Еп(UС2 (0) ≈ Eп ), что и удерживает VT1 в режиме

отсечки. После быстрого (почти мгновенного) переключения МВ начинается медленный процесс перезаряда емкости – релаксация. Так, конденсатор С2, включенный между коллектором закрытого транзистора VT1 и базой открытого транзистора VT2 (UБ2 ≈ 0 ),

139

Напряжение UК1 нарастает по закону заряда С2 (при закрытом VT1) и достигает максимальной величины +Еп (при то-

ке i3 = 0). До такого же напряжения был заряжен и С1 в предыдущем полупериоде. Окончание заряда С2 никак не влияет на состояние МВ, только увеличивает длительность фронта нарастания напряжения UК1 до 2,3τ з.

Конденсатор С1 начинает разряжаться (перезаряжаться) током разряда iр, протекающим от +Еп через резистор R1 и че-

рез базу открытого транзистора VT2 (UБ2 ≈ 0 ) на корпус с постоянной разряда τ 1:

По мере разряда С1 уменьшается обратное напряжение на базе VT1 (UБ1 = −UС1 ). Это состояние (полупериод Т1) продол-

жается до тех пор, пока напряжение на базе VT1 остается обратным (запирающим).

Опрокидывание. В момент t1 конденсатор С1 разряжается

на базу VT2 и вызывает уменьшение тока базы iБ2 на величину ∆ iБ2 , равную ∆ iК1 . При некоторой величине ∆ iБ2 транзистор VT2 выйдет из насыщения, ток iК2 начнет уменьшаться, а напряжение

140