книги из ГПНТБ / Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника

Необходимо отметить, что переключающие схемы с резистивной положительной обратной связью и, в част­ ности, триггер Шмитта, имеют различные величины по­ рога срабатывания и отпускания.

Отпускание (обратное переключение в исходное со­ стояние) происходит при повышении базового напряже­

рез эмиттерный повторитель может быть выполнен по

чинои ---- s соответствующей выходному сопротивлению

Рз эмиттерного повторителя Т3.

Для расчета напряжения отпускания схемы с непо­ средственной связью можно использовать формулу (151), приравнивая в ней величину t/д к нулю.

Экспериментальные исследования показывают, что в схемах с резистивной связью и связью через эмиттерный повторитель величины сопротивления нагрузки и сопро­ тивления R k2 мало влияют на напряжение порога сраба­ тывания и порога отпускания.

141

В схемах с непосредственной связью и связью через диод увеличение тока нагрузки, как и увеличение сопро­ тивления R к2, вызывают уменьшение порога срабатыва­

ния Ucр-

Изменение сопротивления RK\ в первых двух схемах

§ 7. Одновибраторы и реле времени

Одновибратором называется схема, способная после срабатывания от кратковременного пускового сигнала находиться во включенном состоянии в течение некоторо­ го времени, определяемого параметрами схемы. Одновибратор представляет собой двухкаскадный транзи­ сторный ключ, охваченный емкостной цепью положи­ тельной обратной связи.

Жесткая связь между каскадами может осущест­ вляться по цепи коллектор—база, а также по цепи эмит­ тер—эмиттер. Положительная емкостная коллекторно­ базовая связь между каскадами может быть реализова­ на либо непосредственным емкостным коллекторно-базо­ вым соединением, либо емкостным соединением через эмиттерный повторитель.

На рис. 54, а показан одновибратор с коллекторно­ базовой резистивной связью и с емкостной коллекторно­ базовой связью.

В исходном, устойчивом состоянии схемы открыт транзистор Ти транзистор Т2 надежно заперт напряже­ нием смещения, а емкость связи С заряжена до напря­ жения UC~ E K. При поступлении на вход схемы кратко­ временного импульса отпирающей полярности транзи­

Образовавшееся состояние схемы называется неустой­ чивым или квазиустойчивым и длится до тех пор, пока емкость связи С не разрядится полностью и не перезаря­

отпирании транзистора Т\ транзистор Т2 запирается и пе-

142

реключает емкость связи С на заряд. Протекающий при этом ток заряда емкости связи форсирует процесс отпи­ рания транзистора Т\.

Длительность времени неустойчивого состояния одновибратора tK и времени восстановления исходного заря­ да емкости при переключении одновибратора в устойчи­ вое состояние ^восст можно оценить как

t„ = 0,7 RC

143

ранее чем закончится процесс восстановления исходного заряда емкости связи. Положительная обратная связь в одновибраторах может осуществляться и в эмиттерных цепях транзисторов. Такая схема показана на рис. 54, б. Для уменьшения времени восстановления применяется

змиттерный повторитель в емкостной цепи обратной свя­ зи (рис. 54, в).

Диод между эмиттером повторителя Т3 и коллекто­ ром транзистора Гг введен для того, чтобы сопротивле­

ние R э не влияло на постоянную времени разряда емко­ сти.

В этой схеме можно компенсировать температурный дрейф времени неустойчивого состояния. Этот дрейф воз­ никает в фазе неустойчивого состояния под влиянием то­ ка коллектора транзистора Д на скорость разряда емко­ сти связи С. Для компенсации дрейфа отрицательный

(на рисунке не показан). За счет обратного тока коллек­ тора Д в фазе устойчивого состояния схемы на базовом резисторе будет создаваться падение напряжения, изме­ няющее выходное напряжение Д и, соответственно, на­ пряжение заряда емкости связи С.

При повышении температуры увеличение обратного коллекторного тока Д ускоряет процесс разряда емкости связи; увеличение обратного коллекторного тока Д при­ водит, наоборот, к замедлению процесса разряда и тем самым к температурной стабилизации длительности не­ устойчивого состояния.

Регулировка времени неустойчивого состояния

Время неустойчивого состояния можно регулировать, изменяя величину разрядного тока путем изменения со­ противления R 6 или напряжения U в цепи сопротивления Кб, а также изменяя начальное напряжение емкости свя­ зи путем изменения напряжения отсечки коллекторного потенциала Еотс.

144

Если необходима линейная зависимость времени не­ устойчивого состояния от величины управляющего на­ пряжения, вместо резистора следует применять транзи­ сторный генератор неизменного тока, а длительность ре­ гулировать изменением напряжения отсечки Е отс.

Одновибраторы на транзисторах различного типа проводимости

Очень малым временем восстановления обладает одновибратор на транзисторах различного типа проводимо­ сти, показанный на рис. 54, г.

В исходном состоянии схемы транзистор Ту открыт базовым током, протекающим через сопротивление R6 Транзистор Гг открыт током цепи связи, протекающим через коллектор транзистора Ту. При подаче на входную емкость Су сигнала запирающей (отрицательной) поляр­ ности, транзистор Г2 запирается, в результате чего про­ исходит также запирание транзистора Ту. Происходящий при этом перезаряд емкости С2 через цепь резистора R° обусловливает запирание транзистора Ту.

По истечении некоторого времени напряжение базы транзистора Ту увеличивается до такого значения, при котором транзистор Ту отпирается. Поскольку восстанов­ ление заряда емкости происходит через коллекторную цепь транзистора Г2 и базовую цепь транзистора Ту, вре­ мя восстановления очень мало. Длительность импульса, формируемого этой схемой, определяется по следующей формуле:

где

На рис. 54, д изображен одновибратор, обладающий самым малым временем восстановления. В этой схеме применена так называемая каскодная (последователь­ ная по отношению к цепи питания) связь между транзи­ сторами Ту и Г2. Выходная цепь транзистора Т2 умощнена эмиттерным повторителем Г3.

Положительная обратная связь осуществляется кон­ денсатором С1! между эмиттером транзистора Г3 и базой

145

транзистора Ти а также конденсатором С2 между кол­ лектором Т\ и базой Т2.

Висходном состоянии транзисторы Т\ и Т2 включены,

аконденсаторы Ci и С2 практически не заряжены. При подаче на вход схемы импульса отрицательной полярно­ сти транзисторы Т\ и Т2 запираются и на входе Тг уста­ навливается потенциал, близкий к потенциалу шины кол­ лекторного питания. Это состояние неустойчиво, так как при заряде конденсаторов Cj и С2 наступает момент, ког­

да £/б2 становится либо больше U6U но меньше Uy, либо

ря действию положительной обратной связи поддержива­ ются в состоянии крайне глубокого насыщения до пол­ ного разряда конденсаторов. Далее их открытое состоя­ ние сохраняется при умеренном насыщении, зависящем от |32 и от соотношения R6 и R K2. Переход из неустойчи­

>Uy — режиму с управлением длительностью импульса. Управляемый режим работы получается, если посто­

янная времени заряда конденсатора С] несколько больше, чем у конденсатора С2 и, кроме того, если

у~<0,5Ек.

Минимальному напряжению Uy соответствует мини­ мальное время неустойчивого состояния. С увеличением (Jy время неустойчивого состояния увеличивается.

Электронное реле времени

Электронные реле времени являются электронными аналогами электромеханического реле, замедленного на срабатывание, и представляют собой сочетание времязадающей интегрирующей цепочки RC и пороговой схе­ мы. Электронные реле времени различаются по типу времязадающей цепочки, а также по виду пороговой схемы.

Наиболее важным качеством реле времени является стабильность формирования временной задержки. На стабильность временной задержки влияет стабильность срабатывания пороговой схемы, стабильность постоян­ ной времени времязадающей цепочки, а также стабиль­ ность напряжения питания времязадающей цепочки.

145

§ 8. Мультивибраторы

Мультивибратором называется генератор прямо­ угольных импульсов, содержащий нормально открытые усилительные элементы, охваченные перекрестной гиб­ кой (трансформаторной или емкостной) положительной

обратной связью.

Мультивибраторы с трансформаторной обратной связью, как правило, используются в качестве силовых преобразователей. Мультивибраторы с емкостной обрат­ ной связью применяются только как источники сигнала прямоугольной формы.

Существуют мультивибраторы с фиксированной и ре­ гулируемой частотой колебаний. Мультивибраторы с ре­ гулируемой частотой подразделяются на схемы с рези­ стивной регулировкой частоты и схемы с регулировкой частоты управляющим напряжением.

В схемы мультивибраторов могут вводиться некото­ рые дополнения, направленные, в основном, на устране­ ние насыщения триодов, на устранение срыва генерации при одновременном насыщении обоих транзисторов (обеспечение самозапуска), на улучшение прямоуголь­ ное™ колебаний мультивибратора и устранение пробоя баз транзисторов.

Принцип действия мультивибратора

При подключении питания к схеме один из транзисто­ ров приходит в насыщенное состояние первым (напри­ мер, Т\ на рис. 55, а).

Конденсаторы связи С2 и С\ до момента включения транзисторов заряжаются до некоторого напряжения Uc через резисторы R K< и R a и базы транзисторов Т2 и Т\. При включении транзистора Т\ конденсатор С2 переклю­ чается с заряда на разряд и запирает транзистор Т2.

Благодаря запертому состоянию транзистора Т2 кон­ денсатор Ci продолжает заряжаться через базу транзи­ стора Ти поддерживая его во включенном состоянии. Заряд С\ происходит более интенсивно, чем разряд С2, так как разряд осуществляется через резистор R6 более высокоомный, чем резистор RK, через который заряжает­ ся конденсатор С\.

После полного разряда конденсатора С2 и его пере­ заряда до напряжения U62 ~0,1 В транзистор Т2 отпи­

147

Рис. 55. Мультивибраторы:

а — классическая схема мультивибратора; б — временная диаграмма базовых и коллекторных напряжений мультивибратора; в — мульти­ вибратор с улучшенной формой выходного сигнала; г — форма улуч­ шенного выходного сигнала

рается и напряжением конденсатора Сх запирает транзи­ стор Т\. Включенное состояние транзистора Т2 продол­ жается до тех пор, пока конденсатор Сх не разрядится полностью и не перезарядится до напряжения £/б1 ~0,1В, достаточного для отпирания транзистора Т\. Далее про­ цесс повторяется (см. рис. 55, б).

Время нахождения транзисторов Г, и Г2 в открытом состоянии определяется:

tx^ 0,7/?6i Сх,

(154)

t2 та0,7^62 С2.

Время полного изменения состояния схемы, то есть период, определяется:

Т— h + ^2*

Врассматриваемой схеме емкости связи Сх и С2 вклю­ чены в коллекторные цепи транзисторов Т2 и Т\ непо­ средственно. Поэтому фронт импульса коллекторного на­ пряжения UK, соответствующий моменту выключения транзистора, сильно затягивается процессом заряда ем­ кости. Для улучшения формы фронта выключения кол­

148

лекторного сигнала емкости связи включают через диод­ ные переключатели тока (рис. 55, в). При таком соедине­ нии емкостей связи коллекторная цепь отключается от цепи емкости связи после запирания транзистора. Заря­ жаются емкости связи в этой схеме через отдельные за­ рядные сопротивления R 3t и R 32. Для улучшения формы импульсов коллекторного напряжения можно емкости связи включать в коллекторные цепи через развязываю­ щие эмиттерные повторители.

Чтобы не происходил срыв генерации в результате одновременного насыщения обоих транзисторов, приме­ няют так называемые схемы самозапуска, снимающие в этом случае питание с базовых цепей транзисторов, при их одновременном открывании (рис. 56). Эти схемы со­ держат диодную или резистивную собирательную схему «ИЛИ», а также интегрирующую емкость. Диоды соби­ рательной схемы «ИЛИ» присоединяются к коллекторам транзисторов мультивибраторов и, при поочередном от­ крывании транзисторов, поддерживают базовые сопро­ тивления мультивибратора во включенном состоянии.

Рис. 56. Схемы самозапуска мультивибратора:

а— диодная схема самозапуска; б — схема самозапуска с эмиттерным повторителем; в — схема самозапуска с двухкаскадным усилителем

149

Интегрирующая емкость сглаживает пульсации, вы­ зываемые кратковременным открытым состоянием обоих транзисторов. Если же оба транзистора по какой-либо причине окажутся одновременно открытыми в течение длительного промежутка времени, то напряжение с цепи базовых сопротивлений снимается, и транзисторы тем самым возвращаются в закрытое состояние.

ходные цепи транзисторов мультивибратора. Эта схема, а также схема самозапуска с двухкаскадным усилителем (рис. 56, в) используется в прецизионных мультивибра­ торах, служащих для преобразования управляющего напряжения в пропорциональный по частоте импульсный сигнал.

Управляемые мультивибраторы

На рис. 57 показаны схемы мультивибраторов, часто­ та которых регулируется изменением входного напряже­ ния.

Мультивибратор, схема которого представлена на рис. 57, а, содержит основные транзисторы Т\, Т2, эмиттерные повторители обратной связи Т3, Г4 и схему само­ запуска (транзисторы Ts, 76). Эмиттерные повторители способствуют улучшению качества схемы по трем пара­ метрам: по нижнему пределу управляющего напряжения, по предельной частоте генерации и по температурной стабильности.

Предельная частота генерации увеличивается в ре­ зультате форсирования процесса заряда емкости в цепи базы открытого транзистора.

Минимально допустимый уровень напряжения пони­ жается увеличением сопротивления резисторов R Kl и Rk2 до очень большой величины (порядка 40 кОм). Это га­ рантирует выход транзисторов Тх и Т2 в режим насыще­ ния даже при очень малом входном сигнале.

Температурная стабилизация частоты в этой схеме обеспечивается в результате того, что в коллекторные цепи транзисторов Тх и Т2 введены диоды Д г и Д 2, фик­ сирующие напряжение закрытого состояния транзисто­ ров. При этом между базой и коллектором закрытого эмиттерного повторителя падает напряжение Ек — Е01с. Поскольку сопротивления связи RCBi и RCB2 эмиттерных

150