книги из ГПНТБ / Кузьмич, В. И. Основы импульсной техники учебник

жением на входе мвх. Так как напряжение на выходе уси­ лителя У1 находится в противофазе с напряжением на входе, то в цепь ПОС включается фазоинверсное устройство У2, напря­ жение на выходе которого иаых находится в противофазе с на­ пряжением мвых1 и, следовательно, в фазе с напряжением ит. Таким образом, усилитель в регенеративном устройстве состо­

ит из собственного усилителя и фазоин­ версного устройства. В качестве фазоин­ версного устройства может применяться второй усилитель или импульсный транс­ форматор, у которо­ го выходные обмотки включены встречно со входными. В пер­ вом случае мы полу­ чаем двухкаскадные регенеративные уст­

ройства (триггеры, мультивибраторы), во втором —- однокас­ кадные (блокинг-генераторы).

Характеристика усилителя с положительной обратной связью обычно строится с использованием характеристики уси­ лителя с разомкнутой цепыо обратной связи ивнх = / (ивх). В качестве примера построим характеристику изображенного на рис. 5.4 двухкаскадного лампового усилителя без обратной связи (контакт К разомкнут). При построении характеристик (рис. 5.5) необходимо учитывать известные зависимости меж­ ду токами и напряжениями в ламповом усилителе. Напряже­ ние анод-катод лампы определяется выражением

ших (по абсолютной величине) напряжения запирания лам­ пы лампа заперта, анодный ток — 0 и

Uak макс - в.

При положительных напряжениях на входе происходит сеточ­ ное ограничение и напряжение на аноде ограничивается на уровне

^” AjORa *

где /ии — анодный ток усилителя при itgk — 0.

203

л

Рис. 5.5

2 0 4

Полагая, что входы усилителей не шунтируют выходы пре­

выражения для максимальных и минимальных выходных на­ пряжений:

эта характеристика имеет два горизонтальных участка, кото­ рые получаются вследствие ограничения, и наклонный участок AB, на котором оба каскада находятся в усилительном режи­ ме. Наклон характеристик определяется коэффициентом уси­ ления усилителя

Это свидетельствует о том, что при замыкании входа и выхода усилителя образуется положительная обратная связь. В цепь положительной обратной связи в схеме, изображенной на рис. 5.4, включен источник напряжения е. Поэтому связь меж­

Этому уравнению обратной связи в осях ивых — ивх соответ­ ствует прямая, проведенная под углом 45° к оси абсцисс, от-

205

секающая на этой оси отрезок е и называемая прямой обрат­ ной связи.

Для построения зависимости п,ых = ? (е) необходимо ре­ шить совместно уравнения = / (ивх) и (5.1) при задан­ ном е. Это решение производится графически. Решением явля­ ются точки пересечения прямых обратной связи и характерис­ тики усилителя мвых -= / (изх), которые определяют состояние равновесия устройства. Задаваясь различными значениями е, можно построить искомую зависимость иВЬІХ= ©(е) (рис. 5.6). Как видно из построения, в случае К> 1 при некоторых значе­

ниях с получаются три решения (три точки), и характеристи­ ка усилителя с положительной обратной связью имеет падаю­ щий участок (рис. 5.6,а). При /С<1 (угол наклона кривой «вых — f (м-вх) меньше 45°) падающего участка в характерис­ тике «вых = ©(<?) не образуется (рис. 5.6,6).

Таким образом, регенеративное устройство может быть по­ лучено путем замыкания в цепь положительной обратной свя­ зи усилителя с коэффициентом усиления /С>1.

2 0 6

В заключение отметим, что принципиальным является на­ личие падающего участка. Положение относительно осей коор­ динат функций н„ых = /( н вх) и иСЬ|Х= z(e) несущественно и зависит от параметров усилителей и величин питающих напря­ жений.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Как изменяются характеристики усилителя (рис. 5.5):

а) при увеличении сопротивления анодных резисторов

обратной связью при К<1 и К= 1.

§ 5.3. УСТОЙЧИВОЕ И НЕУСТОЙЧИВОЕ СОСТОЯНИЯ РАВНОВЕСИЯ

Точки пересечения прямой обратной связи и характеристи­ ки усилителя являются точками равновесия устройства. Одна­ ко ввиду постоянно существующих в реальном устройстве флюктуаций токи и напряжения не могут быть строго постоян­ ными во времени и всегда несколько отключаются от значений, соответствующих положению равновесия. В связи с этим воз­ никает важный вопрос — является ли состояние равновесия устойчивым или неустойчивым. В случае устойчивого равно­ весия устройство стремится возвратиться к состоянию равно­ весия. В случае неустойчивого равновесия небольшие отклоне­ ния напряжений или токов от равновесных нарастают и уст­ ройство уходит от состояния неустойчивого равновесия.

Таким образом, в состоянии устойчивого равновесия уст­ ройство может находиться неограниченно долго, а в состоянии неустойчивого равновесия устройство сколь-нибудь долго на­ ходиться не может.

Для анализа вопроса об устойчивости равновесного состоя­ ния необходимо исследовать вопрос о поведении устройства вблизи состояния равновесия. При этом должны быть учтены инерционные параметры устройства (паразитные емкости и индуктивности, инерционность приборов). Учет инерционнос­ ти произведем включением в схему усилителя с ПОС выходно­ го сопротивления усилителя R и входной емкости С (рис. 5.7).

207

Флюктуациоиный толчок в этой схеме вызовет появление емкостного тока

где z = RC.

Проанализируем устойчивость равновесных состояний устройства, используя формулу (5.3) и характеристики усилителя (рис. 5.8). В точках /, //, ПІ /{ и вх)—ивх — С и, в со­

точки изображают равновесные состояния устройства. Пусть

ивх будет нарастать, и следовательно, после такой флюктуа­ ции изображающая точка будет смещаться вправо, к состоя-

2 0 8

иию равновесия I. Если флюктуация сместит изображающую точку вправо, то

/ (и„) < ивх - е и < U

и после окончания флюктуационного выброса напряжение иях будет уменьшаться и устройство возвратится в состояние /. Таким образом, состояние I является состоянием устойчиво­ го равновесия устройства.

Аналогично можно показать, что состояние III также явля­ ется состоянием устойчивого равновесия.

Рассмотрим теперь состояние равновесия, которое изобра­ жается точкой II. Пусть флюктуационный выброс сместил изо­

Следовательно, напряжение ивх в этой области нарастает и изображающая точка продолжает смещаться вправо, удаля­ ясь от состояния равновесия II. Смещение это будет происхо­

дит дить до тех пор, пока не станет равна нулю производная — >

и с

т. е. до точки III, в которой

Диалогичным образом можно показать, что при смещении изображающей точки влево от состояния II начнется процесс уменьшения напряжения «вх и изображающая точка перейдет в состояние устойчивого равновесия I. Таким образом, состоя­ ние II является неустойчивым равновесием, так как под влия­ нием флюктуаций, которые всегда существуют в реальной си­ стеме, устройство перейдет из этого состояния в состояние ус­ тойчивого равновесия I или III. Этот процесс совершается бы­ стро, скачком и называется регенеративным процессом.

Переход регенеративного устройства из одного устойчиво­ го состояния в другое, называемый опрокидыванием, может происходить под влиянием внешнего сигнала или процессов внутри устройства.

Регенеративные устройства подразделяются на два боль­ ших класса: устройства, в которых опрокидывания происходят только иод влиянием внешнего сигнала (триггеры) и устрой­ ства, в которых по крайней мере одно опрокидывание происхо­ дит без воздействия внешнего сигнала под влиянием внутрен­ них процессов в устройстве (релаксационные генераторы). В

настоящей главе будут рассмотрены общая теория триггеров и релаксационных генераторов. Практические схемы триггеров и релаксационных генераторов рассматриваются в главах

6—9.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Покажите, что состояние III (рис. 5.8) является состоя­ нием устойчивого равновесия.

2.Покажите, что если состояние равновесия определяется точкой II, то смещение точки влево вызывает регенеративный процесс.

§5.4. УСТОЙЧИВЫЕ СОСТОЯНИЯ РАВНОВЕСИЯ

ИРЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРОЦЕСС В ТРИГГЕРЕ

Вкачестве триггера обычно применяется двухкаскадный усилитель на транзисторах или лампах с резисторными связя­ ми между каскадами. Вход и выход усилителя замыкается

цепью положительной обратной связи. Воздействие на триггер внешнего сигнала может быть учтено введением в цепь ПОС источника е, инерционность триггера — введением в схему цепи R, С. Обобщенная схема триггера изображена на рис. 5.7.

Рассмотрим процесс опрокидывания триггера. Пусть до по­ дачи управляющего сигнала напряжение источника е = 0. В этом случае возможны два устойчивых состояния равновесия триггера — А и В (рис. 5.9). В общем случае оба состояния равновероятны.

Предположим, что в триггере установилось состояние рав­ новесия А. При увеличении напряжения е от нуля до в\ пря­ мая обратной связи wnbIX= нвх— е сдвигается вправо. Если из­ менение напряжения е производится относительно медленно (так, чтобы инерционностью усилителя можно было прене­ бречь), то каждому значению величины е соответствует со­ стояние равновесия, которое определяется пересечением пря­ мой обратной связи с характеристикой усилителя на участке AN. Когда напряжение внешнего сигнала станет равно щ, со­

стояние равновесия будет определяться касательной к харак­ теристике усилителя в точке N. Теперь достаточно незначитель­ ного увеличения входного сигнала, чтобы выполнилось условие

f( u BX)> u BX—e и, в соответствии с формулой (5.3), —у“х > 0.

Следовательно, напряжение мвх будет нарастать и изображаю­ щая точка перейдет в положение М (предполагается, что за

210

время этого процесса входной сигнал практически не изме­ няется).

После окончания входного воздействия е = 0 и изображаю­ щая точка перейдет в положение В. Таким образом, в резуль­ тате подачи входного сигнала произошло опрокидывание — триггер из одного устойчивого состояния равновесия перешел в другое.

Для обратного опрокидывания необходимо подать отри­ цательный входной сигнал. Когда сигнал достигнет вели­ чины в2, изображающая точка скачком перейдет в положе­ ние F, а после окончания входного сигнала — в исходное по­ ложение А.

Таким образом, опрокидывание триггера происходит при различных пороговых напряжениях е\ и в2. Значения порого­ вых напряжений легко определить по характеристике триггера мвы>=f(e) (рис. 5.10). Различные уровни срабатывания при­ водят к тому, что характеристика триггера имеет гистерезис-. ный характер. Область в\—в2 называется областью гистерези­ са. Наличие области гистерезиса является существенной осо­ бенностью регенеративных устройств,

Чем больше коэффициент усиления усилителя, тем шире область гистерезиса. При К -4 1 область гистерезиса отсутству­ ет и регенеративный процесс в устройстве не возникает.

Рассмотрим вопрос о скорости процесса опрокидывания. Из формулы (5.3) следует, что скорость процесса опрокидывания зависит от постоянной времени т и разности f(uBX) —(ивх—е). Чем меньше і (т. е. чем меньше инерционность устройства), тем быстрее совершается опрокидывание. Инерционность им­ пульсных устройств мала и поэтому опрокидывание происхо­ дит быстро, скачком. Разность /(w BX) — (ивх—е), как видно из характеристики рис. 5.9, на участке ND растет (напряжение е во время опрокиды­ вания обычно остает­ ся практически по­ стоянным). Это свя­ зано с тем, что на указанном участке Я >1. Процесс опро­ кидывания на этом участке идет с воз­ растающей скоро­ стью и называется регенеративным про­ цессом (участок ірі.г

на рис. 5.11).

Па участке DM разность / (нвх) — (мвх—<?) уменьшается, так как на этом участке /С<1, Процесс опрокидывания на этом

212