книги из ГПНТБ / Дьяконов В.П. Лавинные транзисторы и их применение в импульсных устройствах

(4M)

Напряжение на эмиттерном сопротивлении R32

и э 2 — ^э2г2 (А) ^l) = ( К э і / К ц і ) ( Е к і — U 02) -|-

+ ( а д к2)(^кх-—Uui 4- Uß2-—Uоі) ехр(— (/RK1C). (4.65)

Напряжение па коллекторе транзистора Ті равно сумме напряжения Ий2 и напряжения на конденсаторе uc(t0—ti). Следовательно, из (4.62)

Икі(<о~*і) = £ кі—(^кі~ ^ 0 2 + и'ф— 6/оі)ехр (— tlRKxC). (4.66)

Это напряжение экспоненциально возрастает и в момент времени t = ti становится равным напряжению включения t/p, транзистора Ті. Из (4.66) можно получить формулу

для расчета длительности Ті первого полупернода рабо­ ты мультивибратора

П = <1 - и = RKiC ln \(EKi - U0i -I 1 / ; , - U0i)l(EKi - L'p,)] .

(4.67)

В момент времени 1 транзистор Ті включается и на его коллекторе возникает перепад напряжения, включаю­ щий транзистор Т2. При этом напряжение на конденса­ торе равно

В промежутке времени (t 1 —12) конденсатор С переза­ ряжается через резистор RK2 .

В силу симметричной структуры схемы рис. 4.8,а вре­ менные зависимости для стадии (tі—12) можно получить из рассмотренных выражений, поменяв взаимно индек­ сы 1 и 2 и записав вместо времени t время (t—11). Тогда

130

с которого был начат анализ, что свидетельствует о за­ вершенности анализа одного полного цикла колебаний.

Из проделанного рассмотрения видно, что времен­ ные зависимости всех токов и напряжений содержат экспоненциальные члены. Поэтому, строго говоря, на­ пряжения Uоі и U02 непостоянны. Однако, поскольку они

близки к напряжениям и Про, учитывать это обстоя­ тельство при практических расчетах нецелесообразно. При достаточно больших Ек1 и Е1{2 форма импульсов на конденсаторе приближается к треугольной, а на рези­ сторах R.ji и >R32— к прямоугольной. Время нарастания и спада импульсов определяется в основном временем переключения транзисторов.

Для обеспечения ждущего режима работы мульти­ вибратора достаточно уменьшить Екі или Е1<2 до уровня, меньшего напряжения включения соответствующего транзистора. Если, например, EKi<U'^, то в исходном

состоянии Т1 будет закрыт, а Т2 открыт. При подаче

запускающего импульса Т( открывается и перепад на­ пряжения с его коллектора поступает через конденса­ тор С на коллектор Tz, выключая его. Конденсатор С начинает заряжаться через резистор RKг, пока напря­ жение на коллекторе Т2 не достигнет величины U При

Мультивибратор на двух лавинных транзисторах удобен для построения генераторов прямоугольных им­ пульсов и схем управляемой временной задержки. В ли­ тературе описано большое число подобных схем [41, 62].

Если оба напряжения Дкі и Ек2 сделать меньшими чем соответственно ІГ^ и Uр0, то схема рис. 4.8,а по

принципу действия становится подобной триггеру. При включении одного из транзисторов второй автоматиче­ ски выключается из-за того, что перепад коллекторного напряжения с первого транзистора передается через кон­ денсатор С, уменьшает напряжение на коллекторе тран­ зистора Т2. Подавая запускающие импульсы порознь или

одновременно на базы транзисторов, можно реализовать как раздельный, так и счетный запуск подобной схемы.

Элементы базовых цепей мультивибратора и энерге­ тический расчет схемы производится аналогично описан­ ному ранее расчету триггера с учетом скважности гене­ рируемых импульсов. Предельная частота повторения импульсов в автоколебательном режиме может дости­ гать нескольких мегагерц. Естественно, что источники Ебі и Ем, а также £ кі и £іа могут быть объединены. Поскольку в опнсаной схеме мультивибратора можно выбирать Rn>\R»\, то амплитуда 'прямоугольных им­ пульсов может быть увеличена до 5—7 В увеличением Ru до 1,5—2 кОм.

Заменив лавинный транзистор Т2 на диод Д, полу­ чим еще одну схему мультивибратора (рис. 4.9,а). Вре-

Рис. 4.9. Схема мультивибратора на одном лавинном транзисторе с опроки­ дывающим конденсатором (я) и временные диаграммы (б) работы его в авто­ колебательном режиме.

менные диаграммы работы его показаны на рис. 4.9,6. Анализ схемы рис. 4.8,а применим и для этой схемы,

если положить Пр2 = Пр2 = 0.

4.4. Генераторы прямоугольных импульсов

Получение прямоугольных импульсов с малым вре­ менем нарастания является важной технической зада­ чей. Применение лавинных транзисторов в генераторах прямоугольных импульсов позволяет формировать им­ пульсы с временем нарастания менее 1 нс и широким диапазоном амплитуд, длительностей и частот повто­ рения,

1 3 2

Форма импульсов, генерируемых простейшими ре­ лаксационными генераторами, отлична от прямоуголь­ ной. Приблизить ее к прямоугольной можно, заменив накопительный конденсатор на накопительную линию (рис. 4.10). Накопительная линия может быть как с со-

сиального кабеля или полосковая линия.

При использовании линии с сосредоточенными по­ стоянными для расчета амплитуды импульсов разряд­

где п — число ячеек линии.

Время восстановления генератора определяется вре­ менем заряда суммарной емкости С0 линии, равной пС,

Для правильной работы генератора следует выполнить условие

Вэтом случае отражения в линии из-за несогласования

снагрузкой не нарушают работу схемы. Длительность фронтов импульса определяется полосой пропускания

линии. Однако длительность переднего фронта легко зна­ чительно уменьшить, включив конденсатор Ск. Емкость его удобно подобрать экспериментально по наилучшей форме импульсов. В этом случае длительность переднего фронта импульса определяется лишь ’Параметрами ла­ винного транзистора.

При использовании широкополосных линий с распре­ деленными постоянными включение конденсатора Ск мо­ жет не потребоваться. Расчет генератора в этом случае аналогичен ранее приведенному. Разница только в том, что под L и С нужно понимать погонную индуктивность и емкость линии, а под «-ее длину.

При точном согласовании линии с нагрузкой (RT+ R U) амплитуда выходных импульсов

Эта амплитуда является предельной. Конечное напряже­ ние иск, как и в схеме релаксационного генератора (рис. 2.6) зависит от общей величины емкости Со. В при­ ближенных расчетах его можно принять равным нулю, что даст несколько завышенное значение tn.

При формировании прямоугольных импульсов боль­ шой длительности габариты линии резко возрастают. Уже при f„$slO мкс применение линии становится за­ труднительным. В этом случае для формирования им­ пульсов можно использовать генератор с RC задержкой (рис. 4.11,а), в котором режим работы включенноготран-

134

зистора выбирается таким же, как в двухстабильных

(рис. 4.11,6). Конденсатор С заряжен до начального на­ пряжения

При подаче запускающего импульса запирающей поляр­ ности лавинный транзистор и диоды Д 2 и Дз закрыва­ ются, а конденсатор С начинает заряжаться тіо экспо­ ненциальному закону

ся, диоды Д г и Д з открываются и конденсатор С разря­

жается. Схема приходит в исходное состояние. На рези­ сторе Rz при этом формируется импульс почти правиль­ ной прямоугольной формы с длительностью

Сопротивление резистора Д3 для обеспечения устойчи­ вости включенного состояния транзистора должно пре­ вышать |і?о|. Время восстановления tв определяется вре­ менем разряда конденсатора С через этот резистор и равно

При наличии заметной нагрузочной емкости Сн длитель­ ность переднего фронта tH импульсов определяется вре­ менем ее заряда через резистор Д2

пульсов в этой схеме больше заднего. При Си» 100 пФ можно получить tu порядка десятых долей микросекун­ ды, а to— порядка сотых долей микросекунды (при ис­ пользовании в схеме транзисторов П416Б).

135

Амплитуда прямоугольных импульсов на резисторе Яз равна

а пилообразных, снимаемых с конденсатора С,

Достоинством генератора с RC задержкой является ма­ лое время восстановления, обычно не превышающее дли­ тельности ta импульсов, большая амплитуда импульсов и возможность плавной регулировки ta в широких пре­ делах. Однако недостатком генератора является боль­ шая длительность переднего фронта импульсов. Гене­ раторы с IRC задержкой можно использовать в качестве генераторов пилообразного напряжения и схем времен­ ной задержки.

Помимо описанных схем для формирования прямо­ угольных импульсов используются уже известные нам мультивибраторы, работающие в ждущем режиме [62]. Применяются также схемы, в которых прямоугольные импульсы формируются из экспоненциальных, генери­ руемых с помощью простейшего релаксационного гене­ ратора, путем вырезания узкого участка с помощью дио­ дов с накоплением заряда [43, 44]. Некоторые из таких

схем описаны далее.

Генераторы прямоугольных импульсов на лавинных транзисторах перекрывают весьма широкий диапазон длительностей — от наносекунд до единиц и более секунд. Хорошая форма импульсов, большая амплитуда и простота схем являются существенными достоинства­ ми таких устройств.

4.5. Релаксационные генераторы с хронирующим конденсатором в цепи обратной связи УПТ

Часто необходимо генерировать импульсы с низкой частотой повторения. В обычных релаксационных гене­ раторах на лавинных транзисторах для этого приходит­ ся использовать хронирующий конденсатор С большой емкости, в результате чего увеличиваются его размеры и при малых сопротивлениях нагрузки появляется опас­ ность выхода лавинного транзистора из строя из-за разо­ грева во время разряда конденсатора.

136

Другой возможностью является увеличение емкости схемным путем с помощью специальных «умножителей». Последние обычно являются усилителями постоянного тока (УПТ) и охвачены емкостной обратной связью. Особенностью таких схем является включение лавинного транзистора в качестве разрядного ключа не на входе, а на выходе УПТ. Это позволяет резко уменьшить время разряда хронирующего конденсатора. Рассмотрим рабо­ ту обобщенной схемы релаксатора с «умножителем» ем­ кости, ;в состав которого входят УПТ и хронирующий конденсатор С (рис. 4.12,а). Конденсатор С заряжается

Рис. 4.12. Эквивалентная схема релаксационного генератора с накопительным конденсатором в цепи обратной связи УПТ ( « ) и ее упрощенный вариант (б)

током іс , который является частью 'полного тока і, про-

текающего через хронирующее сопротивление R. Другая часть і4 полного тока ответвляется в выходные цепи УПТ. Таким образом, качественно роль УПТ заключается в уменьшении тока іс, в результате чего возрастает время

заряда конденсатора С. При этом напряжение на выход­ ных зажимах 22 УПТ повышается, пока не достигнет уровня включения разрядного ключа К■ Последний

замыкается, и конденсатор С начинает разряжаться че­ рез низкое сопротивление ключа гк, и диод Д, включен­ ный параллельно входным зажимам УПТ, до тех пор, пока напряжение на нем не упадет до уровня иск, после чего ключ размыкается и конденсатор вновь начинает заряжаться. В этой стадии УПТ не влияет на работу

ряда. Из сказанного следует, что начальное и конечное напряжения на конденсаторе (без учета малого падения напряжения на диоде Д) определяются пороговыми на­ пряжениями ключа C/ß и иск и не меняются при введе-

137

пни УПТ. Таким образом, применение УПТ сказывается лишь на этапе заряда С.

Проанализируем процесс заряда конденсатора С в схеме рис. 4.12,а. При анализе учтем входное гвх и вы­ ходное Гпых сопротивления УПТ, источник тока / у на вхо­ де и внешнее сопротивление іRy, влияющее на распреде­ ление тока во входных цепях УПТ. Обозначим

Уравнение (4.90) тождественно уравнению, описы­ вающему заряд емкости в простейшей RC цепи, содер­ жащей элементы R0, Сп н Еа. Это позволяет представить анализируемую схему в более простом виде, показанном на рис. 4.12,6. При одинаковых параметрах и пороговых

в схеме рис. 4.12,а. Это позволяет свести расчет линей­ ности, начальной скорости роста напряжения и других параметров схемы рис. 4.12,а к соответствующему хоро­ шо известному расчету простейшей схемы рис. 4.12,6. Так, для основных параметров генератора: коэффициен­ та нелинейности р, начального наклона выходного на­

.138

работу схемы при различных значениях тока /у и сопро­ тивление R y . В частности видно, что при /у= 0 линей­

ность не улучшается, но t3 резко возрастает из-за уве­ личения эквивалентной емкости С3, При /у> 0 возрастает Е3, что 'приводит к уменьшению р и t3. Следовательно, в этом случае улучшается линейность хронирующего на­ пряжения, что является ценным свойством при исполь­ зовании этой схемы в генераторах пилообразного на­ пряжения. Улучшение линейности имеет место до тех пор, пока Іу остается меньшим і. В противном случае УПТ запирается и нормальная работа схемы прекра­ щается. Легко видеть, что улучшение линейности в пре­

Рис. 4.13. Практические схемы генераторов с УПТ.

содержит двухкаскадный УПТ с Кі> № 00, выполненный на составном транзисторе Т% Т3. Источник тока /у отсут­ ствует, поэтому УПТ выполняет только функции умно­ жения емкости. При изменении R y период повторения

импульсов плавно изменяется в 1000 раз^'от 0,015 до 15 с). Подобная схема может использоваться'в качестве генератора тактовых импульсов цифровых приборов. Амплитуда импѵльсов па /?Н=Ю0 Ом достигает 15—20 В

139