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

при времени нарастания порядка 50 нс. Скважность им­ пульсов в подобных схемах может доходить до 10° и более.

Недостатком схем без источника тока /у является низкая стабильность частоты, обусловленная в основном значительным изменением Кі с температурой. Этот не­ достаток отсутствует в схеме рис. 4.13,6, в которой ве­ личина

не должна превышать минимальный зарядный ток, про­ текающий через резистор R,

В обычном генераторе (при отсутствии УПТ на тран­

баний.

Интересной возможностью схемы рис. 4.13,6 й ей по­ добных является возможность изменения частоты повто­ рения релаксатора путем изменения либо тока /у, либо напряжения Еу. При применении УПТ с большим коэф­ фициентом усиления по току (2000 и более) можно по­ лучить перекрытие по частоте около 1000 при нелиней­ ности порядка десятых и даже сотых долей процента. Такие генераторы очень перспективны для использова­ ния в качестве линейных преобразователей напряжения в частоту в интегрирующих цифровых вольтметрах.

4.6. Схемы с дискретным зарядом емкости

Работа многих импульсных устройств, например ге­ нераторов ступенчатого напряжения, аналого-цифровых преобразователей, делителей частоты, квантователей сиг­ нала по уровню и других [48—52], основана на дискрет­ ном заряде или разряде накопительного конденсатора дозированными порциями заряда. Большинство извест­ ных схем такого рода либо принципиально не обеспечи­ вают равенства доз заряда, либо значительно услож­ няют устройства.

Схемы дозированного заряда конденсатора можно упростить, используя принцип разряда дозирующего кон­

140

денсатОра на накопительный через устройство с 5-образ- ной ВАХ. Лавинный транзистор является одним из наи­ более удобных для этого приборов. В настоящем разде­ ле рассматриваются принципиальные особенности по­ строения различных импульсных схем с дискретным за­ рядом (или разрядом) конденсатора.

Простейшая схема генератора ступенчатого напря­ жения, иллюстрирующая указанный принцип (рис. 4.14,а), содержит накопительный конденсатор С,„ под-

а 5 t

Рис. «1.Н. Схема простейшего генератора ступенчатого напряжения (а) и вре' менные диаграммы ее работы (о).

ключенный к дозирующему конденсатору Сд через лавин­ ный транзистор Т1 . Для упрощения разрядное устрой­

ство накопительного конденсатора показано в виде ключа К. Рассмотрим работу устройства, предполагая, что в момент включения (/ = 0) ключ К разомкнут и схема обесточена.

Конденсатор Сд заряжается через резистор tRK, в ре­ зультате чего в нем накапливается заряд, а напряжение возрастает по экспоненциальному закону. Как только напряжение на лавинном транзисторе, также растущее по мере заряда конденсатора Сд, достигнет напряжения t/p, лавинный транзистор включается и конденсатор Сд

быстро разряжается через него на конденсатор Сн до тех пор, пока напряжение на лавинном транзисторе не упадет до конечного значения иСк, при котором послед­ ний выключается. В результате на накопительном кон­ денсаторе формируется ступенька напряжения АѴ, по­ сле чего процесс повторяется.

141

Таким образом, благодаря разряду дозирующего кон­ денсатора в неизменной разности потенциалов, опреде­ ляемой лавинным транзистором, амплитуды всех сту­ пеней AU одинаковы. В этом заключается существенное достоинство генератора.

Определим длительность произвольной, УѴ-й, ступень­ ки tb’. Пусть ей отвечает напряжение иск на конденса­ торе Сп. Считая, что моменту формирования ступеньки соответствует / = 0, можно записать следующее выраже­ ние для напряжения на конденсаторе

“Сд(0 = £.< — (£к — UCN — иСк) ехр (— //У?,.СД). (4.102)

В момент времени t = tK, Uc&=U'ß, откуда

*N= R*CH1п [(^-«СЛ- — ис М Ех— UCN — Uß)] - (4-І03)

Если ключ К охарактеризовать остаточным напряже­ нием Uо, в частности равным 0, а под амплитудой сту­ пеньки обозначить перепад напряжения AU, то

uCN = Uo + N A U = U0 + NCA(U'p — нСк)/(Сд-| Сн). (4.104)

Подставляя (4.104) в (4.103), получаем

tN = RKCr ln 1(£к— ис ~ U o - N А U)/(EK- U ß - U Ü~ N А U)\,

Из приведенных выражений видно, что длительности ступенек непостоянны и растут с увеличением порядко­ вого номера, начиная с УѴ= 0. Полное число ступенек п определяется остаточным напряжением U0 и напряже-

142

пнем включения (УШ!Л ключа К

Благодаря высокому быстродействию лавинных тран­ зисторов время нарастания ступенек ta обычно намного меньше их длительности. Это время определяется вре­ менем разряда конденсатора Сд. При СЫ3>СД его можно определить из формулы

Различные модификации описанной схемы (48—50] могут генерировать ступенчатое напряжение с амплиту­ дой ступенек, изменяемой в очень широких пределах изменением отношения емкостей конденсаторов Сд и Си. Можно получить амплитуды ступенек AU от десятков вольт до практически любой меньшей величины. Дли­ тельность ступенек (к может выбираться от десятков наносекунд до десятых долей секунды.

В проведенном анализе не учтен ряд эффектов, кото­ рые могут нарушить равномерность амплитуды ступе­ нек и создать спад плоской части ступенек. Один из та­ ких эффектов заключается в дополнительном подзаряде конденсатора С„ током Ік, протекающим через сопротив­ ление RK при открытом лавинном транзисторе. Дополни­ тельное к величине ДU напряжение определяется из вы­ ражения

Для генераторов на лавинных транзисторах неравно­ мерность амплитуды ступенек, обусловленная 'дополни­ тельным подзарядом, достаточно мала (не превышает десятых долей процента). Гораздо большее влияние на форму ступенчатого напряжения может оказать разряд

143

конденсатора Cu через сопротивление нагрузка R», обыч­ но подключаемое параллельно этому конденсатору.

Спад напряжения бN ЛЧі ступеньки из-за разрядки С„ через Ru определяется из выражения

Так как для нормальной работы генератора необходимо

Расчет показывает, что при Rn~ (0,5-ЬІ) МОм спад плоской части ступенек может достигнуть нескольких процентов. Поэтому там, где высокая равномерность ступенек особо необходима, следует увеличивать сопро­ тивление нагрузки Ru или применять развязывающие схемы с большим входным сопротивлением. Большое Ru является недостатком описанной схемы, -присущим, одна­ ко, всем схемам с емкостными накопителями.

Если в качестве ключа К. использовать еще один ла­ винный транзистор, то генератор будет работать в авто­ колебательном режиме. В ряде случаев желательно, что­ бы начало ступенчатого напряжения было привязано к определенному моменту времени. В схеме рис. 4.14,а осу­ ществить это коммутацией ключа К трудно, так как про­ цесс заряда и разряда Сд не сфазирован с работой клю­ ча. Это создает неопределенность в моменте появления первой ступеньки.

На рис. 4.15,ö показана схема генератора, в котором

счет одновременной коммутации конденсаторов Сд и С,, с помощью ключевого транзистора Т При открытом Ті конденсаторы Сд и С„ разряжены. При запирании Ті запускающим импульсом на выходе генератора появ­ ляется ступенчатое напряжение. Так как в исходном со­ стоянии Сд полностью разряжен, то нулевая ступенька имеет длительность

= In (4.114)

Управляемый генератор і[50], схема которого пока­ зана на рис. 4.15,6, вырабатывает линейно-ступенчатое напряжение. Перевод генератора из режима генериро­ вания линейно изменяющегося напряжения в режим ге­ нерирования ступенчато изменяющегося напряжения обеспечивается воздействием управляющего импульса на ключевой транзистор Tz.

При закрытом транзисторе Tz дозирующий конден­ сатор отключен от коллектора лавинного транзистора Tv. Его рабочая точка становится устойчивой на участке дифференциального отрицательного сопротивления и про­ цесс дискретного заряда С„ отсутствует. Напряжение на последнем при разомкнутом ключе К растет по экспо­ ненциальному закону.

При подаче отпирающего импульса на базу транзи­ стора последний открывается и конденсатор Сд оказы­ вается подключенным к коллектору Ті. Генератор начи­ нает генерировать ступенчатое напряжение, сфазирован-

коммутируемых отдельными ключами, можно создать генератор ступенчатого напряжения, обеспечивающий быстрое изменение амплитуды ступенек во время рабо­ чего хода. Такие генераторы представляют определен­ ный интерес для информационно-измерительной техники.

4.7. Принципы построения управляемых импульсных схем повышенной стабильности

Стабильность основных параметров рассмотренных схем зависит от стабильности пассивных элементов, ста­ бильности параметров лавинного транзистора и стабиль­ ности питающих напряжений.

145

Применяя стабилизацию питающих напряжений и вы­ сокостабильные пассивные элементы, можно сделать до­ минирующей нестабильность параметров лавинного тран­ зистора. При изменении температуры окружающей сре­ ды от —60 до +60°С разность напряжений (U —иСк)

меняется не менее чем на 6—8%. Еще сильнее эта раз­ ность меняется при смене транзисторов. \В результате стабильность рассмотренных элементарных импульсных схем мала.

В ряде случаев требуется стабильность (например, частоты повторения импульсов в релаксационных схе­ мах) порядка десятых долей процента. Обеспечить та­ кую стабильность обычно применяемыми мерами тер­ мокомпенсации бывает довольно трудно. Рассмотрим не­ которые новые принципы построения высокостабильных схем, отличающиеся высокой эффективностью {53, 54, 98, 103, 106].

Из проделанного ранее анализа следует, что основ­ ными параметрами лавинного транзистора в релакса­ ционных схемах являются напряжение включения Uр и

конечное напряжение «ск разряда накопительного кон­ денсатора. В принципе, стабилизацию их можно осу­ ществить, стабилизируя отдельно U^ и иСк. Для стаби­

лизации напряжения Оф вводят импульсную обратную связь, так как ВАХ лавинного транзистора управляема. Однако напряжение иСк, зависящее от многих факторов, практически изменять нельзя.

В большинстве случаев стабильность параметров ре­ лаксационных схем зависит не от абсолютных величии Др и «ск, а от их разности (U^ —иСк) . Например, в ре­

лаксационных генераторах и генераторах пилообразного напряжения именно эта величина определяет стабиль­ ность амплитуды выходных импульсов. Период колеба­ ний, генерируемых релаксационным генератором (на­ пример, в схеме рис. 2.6,а), находится из выражения (2.92), которое для автоколебательных релаксаторов не­ трудно представить в виде

Т = RKC ln [1 — (f/p — иСк)І (Ек — «Ск)]-‘. (4.115)

Так как для нормальной работы генератора должно вы­ полняться условие Ets> Up и, кроме того, > u cк, то очевидно, что Ек^>иск. Отсюда видно, что стабильность?

№

Т при стабильных напряжении питания Ек и параметрах RC цепи определяется также разностью (Ug—иСк).

При стабилизации напряжения Up, которая может быть достигнута только его уменьшением, нестабиль­ ность разности (Up—иск) резко возрастает при Up-^иск.

Нестабильность напряжения «ск при этом становится доминирующей. В схемах на лавинных транзисторах, в отличие от обычных схем, конечное напряжение иск мо­ жет быть довольно значительным. При достаточно боль­ ших величинах С оно близко к напряжению Up. Все это

резко ограничивает возможности принципа стабилиза­ ции напряжения включения U р.

Эффективным методом стабилизации является стаби­ лизация разности (Up—иск) (53]. Такая стабилизация

автоматическим изменением ^напряжения Up .

В схеме иа рис. 4.16,а (54] ждущий релаксатор, выпол­ няющий функции устройства временной задержки, об-

Рис. 4.16. Функциональная схема автоматического управления разностью по­ роговых напряжений ^ £/ß— “ Q .) (а ) и временные диаграммы ее работы (*£).

разовая зарядной цепью ЗЦ, хронирующим конденсато­ ром С и устройством с 5-образной ВАХ (лавинный тран­ зистор с элементами, формирующими требуемую форму ВАХ). Схема выделения разности (U —ucк), определяю­ щей амплитуду пилообразного импульса на конденсато-

1147

ре С, представляет собой пиковой детектор С(, и Диод ДС выполняет функции сравнивающего элемента.

При запуске схемы перепад напряжения с конденса­ тора С через конденсатор Сі большой емкости передает­ ся в точку а, где складывается с управляющим напряже­ нием IIу (рис. 4.16,6). Диод ДС закрыт, пока знак ал­ гебраической суммы этих напряжений положителен. В момент, когда

(4.117)

где Uд — падение напряжения па диоде в момент срав­ нения, устройство с 5-образиой ДАХ включается и кон­ денсатор разряжается.

Из (4.115) и (4.117)

Т = ДкС1п[1— (£7у + Е7д)/(£к — иСк)}~' , (4.118)

Поскольку Uд достаточно мало (около 0,2 В для герма­ ниевых и 0,5 В для кремниевых диодов), то величина (Ну+Нд) при стабильном Uy гораздо более стабильна, чем величина (U^—иск).

Если зарядная цепь выполнена в виде стабилизатора тока то

Меняя Uy, можно в широких пределах менять Т, причем зависимость Т от Uy при стабилизации зарядного тока оказывается линейчіой.

Описанный принцип стабилизации разности (U^—иск)

можно с успехом использовать для построения высоко­ стабильных релаксационных генераторов, управляемых схем временной задержки и генераторов пилообразного напряжения, стабилизации амплитуды ступенек в гене­ раторах ступенчатого напряжения и в других импульс­ ных устройствах. Однако из (4.118) и (4.119) можно сделать вывод, что Т зависит от среднего тока, заряжа­ ющего конденсатор, следовательно, п от напряжения источника питания.

Если амплитуда импульсов может изменяться, но требуется стабилизировать их длительность или частоту повторения, то можно использовать иной принцип по­ строения стабилизированных схем (103]. Этот принцип заключается в автоматическом поддержании разности (£7р ■—иск) пропорциональной среднему значению' заряд­ ного тока. Последний для простейшего релаксационного

148

Генератора можно найти, приравняв (4.118) выражению

Для схемы со стабилизацией зарядного тока очевидно, что / ср = /3. Если выполняется условие

совершенно не зависит от величины среднего зарядного тока. Это условие не нарушается приближением, приня­ тым при расчете / ср для релакса­

удается выполнить не идеальное условие <(4.123), а усло­ вие (4.117), причем

Если в качестве зарядной цепи используется сопротивле­ ние Дк, то

149