книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]
.pdfчто вызывает переключение триггера в первоначальное состоя ние. В результате оказывается, что запускающий импульс не изменил состояние триггера.
Устранить обратное переключение триггера позволяют запо минающие элементы в триггере. Они как бы запоминают состоя ние, в котором находился триггер, и позволяют перейти только в противоположное состояние. Запоминающими элементами являются форсирующие емкости Сі и С2. Величины этих емко стей выбираются такими, чтобы за время переключения триггера
напряжение на них практически |
не |
изменилось, |
т. е. |
емкости |
||||
|
|
во |
время |
переключения |
пред |
|||
|
|
ставляют |
собой два источника |
|||||
|
|
постоянного |
напряжения. |
|||||
|
|
|
Эквивалентная схема триг |
|||||
|
|
гера в момент |
переключения |
|||||
|
|
показана |
на |
рис. 10.9. До пе |
||||
|
|
реключения |
триггера |
транзи |
||||
|
|
стор Т\ был открыт, |
а |
Тг за |
||||
|
|
крыт, поэтому емкость Ct была |
||||||
|
|
заряжена до напряжения, при |
||||||
Рис. 10.9. |
Эквивалентная схема |
близительно |
равного |
+Е о, |
||||
триггера в |
момент переключения |
а |
С2 — до |
напряжения |
—Ек. |
|||
|
|
Но |
так |
как напряжение на |
||||
емкости С2 практически не изменяется за |
время |
переключения |
и запускающий импульс окончится быстрее, чем перезарядится емкость С2, то диод Д2 не откроется и обратного переключения не произойдет.
Медленный заряд емкости обусловливает затянутый фронт выходного импульса триггера (см. рис. 10.2 момент времени t\ для транзистора Т\).
После переключения схемы начинается разряд конденсаторов Сі и С2. Ток разряда сначала имеет максимальную величину, а затем по мере разряда снижается по экспоненциальному за кону. Этот ток на резисторе Re создает падение напряжения в форме остроконечного импульса на базе, а падение напряже ния на RK затягивает задний фронт импульса выходного напря жения (см. рис. 10.2).
В связи с этим постоянная времени перезаряда емкости дол жна быть меньше периода следования запускающих импульсов. В противном случае напряжения на коллекторе и базе не успе вают достигнуть установившихся значений.
Таким образом, постоянная времени разряда конденсатора ограничивает максимальную частоту работы триггера. Поэтому емкость конденсатора Сі и С2 для повышения частоты триггера следует выбирать возможно меньшей величины, однако брать их слишком малым нельзя, так как они являются запоминающими элементами. Кроме того, необходимо выполнять условие Сь С2» С К. Практически величины емкостей выбирают 200—1000 пФ.
142
Следующий запускающий импульс через диод Д2 и цепь R2 C2 попадает на базу теперь уже закрытого транзистора Г] и не прой дет через запертый диод До.
Схема, используемая при положительной полярности запу скающих импульсов, приведена на рис. 10.8. Эта схема отли чается от описанной ранее лишь тем, что полярность включения диодов противоположная и резистор R подключен к —£ к.
Диод Д 1, подключенный к коллектору открытого транзистора Г], оказывается в запертом состоянии. Положительный запу скающий импульс через диод Д 2 попадает на коллектор запер того транзистора, а затем через цепь C2 R2 на базу открытого, что приводит к переключению триггера.
Этот же импульс не может попасть на коллектор открытого транзистора Ти так как диод Д\ заперт напряжением Ек, по вели чине превышающим амплитуду импульса запуска.
Запуск триггера через диоды обладает еще одним существен ным преимуществом. Вследствие того, что скорость нарастания коллекторного напряжения, как правило, превышает скорость нарастания запускающего импульса, то диод, через который про ходит импульс, в самом начале процесса переключения схемы запирается и цепь запуска вместе с конденсатором С оказы вается отключенной от триггера. Это позволяет повысить ско рость переключения триггера и производить запуск схемы импульсами, имеющими форму, отличающуюся от остроконеч ной, а также устранить обратное воздействие триггера на источ ник управляющих импульсов.
§ 10.5. ЗАПУСК ТРИГГЕРА ПО ЦЕПИ БАЗЫ
Выходное напряжение триггера обычно снимается с коллек тора транзистора, сюда же поступают и запускающие импульсы. Если необходимо исключить попадание импульсов запуска на вход следующих каскадов, связанных с коллекторами транзисто ров триггера, то следует применить схему запуска триггера по цепи базы. Как и запуск по цепи коллектора, запуск по цепи базы можно осуществлять как положительными (рис. 10.10), так и отрицательными импульсами (рис. 10.11).
При отсутствии запускающих импульсов оба диода заперты напряжением Е3 (см. рис. 10.10). Положительный запускающий импульс отпирает сразу оба диода и поступает на базы обоих транзисторов. В результате открытый транзистор запирается и вызывает переключение схемы. То же самое происходит, если запускающие импульсы отрицательной полярности поступают на вход схемы, показанной на рис. 10.11.
Недостатком схемы является то, что запускающий импульс поступает и на базу запертого транзистора, что препятствует переключению схемы.
143
Как в случае запуска триггера по цепи базы, так и в случае запуска по цепи коллектора, предпочтение следует отдать схеме, в которой триггер переключается не запирающими, а отпираю-
Рис. 10.10. Схема запуска триг |
Рис. 10.11. Схема |
запуска триг |
гера по цепи базы положитель |
гера по цепи базы |
отрицательны |
ными импульсами |
ми импульсами |
щими (отрицательными) импульсами. Это обусловлено тем, что для переключения транзистора из открытого состояния в закры тое требуется большая энергия, чем из открытого в закрытое.
§10. 6. ТРИГГЕР С АВТОМАТИЧЕСКИМ СМЕЩЕНИЕМ
Втех случаях, когда применение дополнительного источника положительного смещения + Еъ затруднительно, можно восполь зоваться схемой с автоматическим смещением (рис. 10.12). На
пряжение смещения создается на эмиттерном резисторе R3, шунти рованном конденсатором С3. Кон денсатор Cg позволяет улучшить фронты выходных импульсов вследствие увеличения тока базы при переключении.
Работа триггера с автоматиче ским смещением в основном ана логична работе триггера с внеш ним смещением. При открытом транзисторе Т\ через него проте кает большой ток, который со здает на эмиттерном сопротивле
нии отрицательное падение напряжения £/э= (/к.н+/б.н)^э. Это равносильно тому, что на базе транзистора Т2 напряжение стало положительным относительно эмиттера, т. е. транзистор Т2 заперт.
144
Транзистор Ті поддерживается в открытом состоянии отрица тельным смещением, подаваемым с коллектора запертого тран зистора на базу через резистор R ь
Переключение триггера из одного устойчивого состояния в другое происходит точно так же, как и в схеме с внешним сме щением.
Схема триггера с автоматическим смещением менее устой чива, особенно в широком диапазоне температур, имеет более низкую нагрузочную способность, большее количество элементов и дополнительный расход мощности за счет протекания тока по резистору R3. Кроме того, в этой схеме ниже коэффициент использования напряжения источника коллекторного питания за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении.
Постоянная времени цепи R3C3 должна быть значительно больше времени переходных процессов в триггере с тем, чтобы напряжение смещения было постоянным. Практически Сэ выби рают 0,1—0,5 мкФ.
§ 10.7. РАСЧЕТ ТРИГГЕРА
Расчет статического триггера, как и транзисторного ключа, можно разделить на два этапа: расчет статического режима и расчет переходных процессов при переключении триггера.
Расчет статического режима заключается в выборе величин Ек и Еб и вычислении сопротивлений RK, R u Еб из условий надеж ного запирания и отпирания транзистора, которые должны вы полняться в триггере одновременно.
Время переключения триггера и максимальная частота им пульсов запуска рассчитываются с учетом выводов, сделанных при расчете переходных процессов транзисторного ключа. Обычно максимальная частота триггера и время его переключе ния являются исходными данными к расчету элементов триггера.
Таким образом, исходными данными для расчета элементов триггера являются: амплитуда выходного напряжения, напряже ние питания, минимальное время переключения, максимальные частота и нагрузка.
Если триггер предназначен для работы в широком диапазоне температур, то при расчете схемы следует учитывать возможные изменения параметров транзистора от температуры.
Так, например, с ростом температуры значительно возрастает /ь-о и ß. Возрастание коэффициента усиления приводит к повыше нию чувствительности триггера. Рост /к0 вызывает снижение на пряжения на запертом транзисторе (за счет увеличения падения напряжения на RK), и, следовательно, снижение величины тока базы открытого транзистора. В целом это ухудшает стабильность триггера и снижает амплитуду выходного импульса.
145
При низких температурах схема становится более устойчи вой, но труднее переключается и запускается.
Обычно в справочниках указывают возможные изменения параметров транзисторов от температуры.
Расчет триггера с внешним смещением
Рассчитаем триггер, управляемый остроконечными импуль сами и предназначенный для получения напряжения прямоуголь ной формы.
Исходные данные:
1)амплитуда выходного напряжения Um\
2)длительность фронта (положительного перепада) выход ного напряжения
3)длительность спада (отрицательного перепада) выходного напряжения tc;
4)максимальная частота следования запускающих импуль сов fm.
П о р я д о к р а с ч е т а
1.Выбираем симметричную схему с самостоятельным смеще нием (см. рис. 10. 10).
2.Определяем напряжение источника коллекторного питания
по формуле £ к=1,2 Um.
3.Выбираем величину Ев. При этом следует иметь в виду, что «сильное» запирание транзистора снижает быстродействие триг гера. Напряжение смещения обычно выбирается из условия Еъ<0,2Ек. Вследствие того, что кремниевые транзисторы имеют напряжение насыщения П„.Н= 1В и выше, то для триггера на кремниевых транзисторах £б следует выбирать на 1—2 В выше, чем для германиевых.
4.Выбираем тип транзистора.
Целесообразно выбрать транзистор, предназначенный для импульсных схем так, чтобы работа триггера возможно полно определялась параметрами, которые оговорены в справочных данных.
Расчетные соотношения для выбора транзистора:
а) для надежного запирания транзистора необходимо, чтобы ток смещения / см = - ^ - 2 / ' 0, где / ^ —обратный ток коллек-
торного перехода для максимальной рабочей температуры и на пряжения с учетом старения за срок службы;
б) для надежного открывания транзистора необходимо, чтобы выполнялось условие 0,5 Рмин/б.мин>/ц (значение ß при макси мальной температуре с учетом старения), т. е. ток базы должен обеспечить режим насыщения и требуемый ток нагрузки;
146
в) максимальная рабочая частота триггера /макс—О,5/., а
минимальное время фронта |
iL=_JL • |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
4 ’ |
|
|
|
|
|
|
г) максимально допустимое напряжение транзистора должно |
||||||||||
быть іУк.макс^ (£ц—£Л;.п), здесь |
t/K.ii — остаточное |
напряжение |
||||||||
на коллекторе; |
|
|
|
|
£ _ U |
|
|
|
||
д) резистор в |
цепи коллектора |
Рк |
|
|
/к.и<: |
|||||
—-----— , где |
||||||||||
^Л;.макс, здесь |
|
|
|
|
Iк.н |
|
|
— пре |
||
— ток насыщения транзистора; / к .м а К с |
||||||||||
дельно допустимый ток коллектора; |
|
|
|
|
|
|
||||
е) мощность, рассеиваемая иа коллекторе: |
|
|
|
|
||||||
Як = -у- |
-£ 'і/к.н(А|> “ Н с ) + |
^ к М к J n - 1 - E J КО( ^ — |
^ ll)j |
ÄT р |
|
|||||
^ |
1 к.макс > |
|||||||||
где Рк.манс — максимально допустимое значение |
мощности рас |
|||||||||
сеяния на коллекторе для максимальной |
рабочей температуры. |
|||||||||
В формуле все значения берутся |
при |
Максимальных |
напряже |
|||||||
ниях II максимальной температуре с необходимым запасом; |
||||||||||
ж) |
при применении высокочастотных транзисторов, у кото |
|||||||||
рых очень |
низкое |
пробивное напряжение |
U0.в=1—3 |
В, необхо |
димо проверить, не превышает ли амплитуда положительного всплеска напряжения в базе максимально допустимого значения напряжения ^ э.б.макс.
5. Величину сопротивления коллекторной нагрузки выбираем из следующих соображений: с одной стороны, должно выпол
няться условие К > |
выполнение которого гарантирует |
|
Лч.М |
отсутствие перегрузок по току; с другой стороны, согласно соот-
— т
ношению /?KÄ (1,0-*-2) — сопротивление коллектора следует
выбирать возможно меньшей величины. Это повышает быстро действие триггера и нагрузочную способность. Значение Rl( обычно выбирают 1—5 кОм.
6. |
Рассчитываем величину резистора Ri из условия насыще- |
||
ния |
Е |
I |
что / см~/ко. |
■ - |
к ------полагая, |
||
|
К \ + |
/<к |
Р |
Преобразуем это соотношение к виду
К . н + Р К о
Как известно, параметры транзисторов даже в пределах одной группы существенно отличаются. Кроме того, их значения зави сят от окружающих условий, поэтому в схеме триггера это усло вие насыщения должно выполняться при наихудших условиях, т. е.
ң < ___ ß.M„„g|;___
IК .Н + Рмнн^кО
117
7. Определяем значение емкости форсирующего конденсатора С, руководствуясь следующими соображениями. Для получения более быстрого переключения желательно выбрать значение емкости конденсатора возможно большим.
Однако увеличение емкости С приводит к увеличению дли тельности фронта отрицательного перепада выходного напряже ния (см. рис. 10.2). Действительно, после того как транзистор Т] откроется, емкость конденсатора С2 практически полностью до бавляется к общей выходной емкости устройства. В результате этого отрицательный перепад выходного напряжения сильно за тягивается. Следовательно, величина емкости ограничивает мак симальную частоту работы триггера.
Ориентировочно величину емкости форсирующего конденса
тора можно определить из соотношения С/?б<( —-— . Однако
/макс
необходимо иметь в виду, что чем выше предельная частота транзистора, тем меньше должно быть значение емкости; это сле
дует из соотношения С ~ (1,5-г-2) — . Для транзисторов
Як
с fi = l-f-2 МГц оптимальной, с точки зрения скорости переклю чения, является емкость 300—500 пФ. Практически величину емкости форсирующего конденсатора проще определить экспери ментально, добиваясь минимального времени переключения. Обычно задаются величиной емкости 200—1000 пФ.
Не следует выбирать значение емкости очень малым (менее 200 пФ) во избежание явления «самооткрывания» транзистора, которое приводит к неустойчивой работе триггера.
8. Определим величину сопротивления RQ из условия запира
ния транзистора |
|
|
|
/ |
R6 ^ |
/' |
|
'см |
к0 |
||
и из условия быстродействия триггера |
|||
Яв < |
1 |
|
|
/макс^ |
|
||
9. Время переключения триггера составляет примерно |
|||
tпер • |
Xа |
||
4 |
|
||
|
|
|
|
При подключении сопротивления нагрузки к коллектору Гг |
|||
в расчетные формулы вместо |
|
Дк2 следует подставлять |
R i ü ■R J ( Д к 2 + ^ п ) •
Г л а в а X I
М У Л Ь Т И В И Б Р А Т О Р Ы ,
§ П. I. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ МУЛЬТИВИБРАТОРА
Мультивибратор— это релаксационный генератор прямо угольных импульсов с самовозбуждением. Мультивибратор, как и триггер, представляет собой двухкаскадный реостатно-емкост ный усилитель на транзисторах, включенных по схеме с общим
эмиттером. Выход каждого каскада этого усилителя |
соединен |
|||||||
со входом другого |
каскада, в результате чего обеспечивается |
|||||||
глубокая |
положительная обрат |
|
|
|
||||
ная связь. |
|
распространенная |
|
|
|
|||
Наиболее |
|
|
|
|||||
схема |
мультивибратора |
приведе |
|
|
|
|||
на на рис. 11.1. Схема мульти |
|
|
|
|||||
вибратора |
отличается |
от схемы |
|
|
|
|||
триггера лишь тем, что в ней |
|
|
|
|||||
отсутствуют резисторы связи R і и |
|
|
|
|||||
R 2 и смещение на базу |
задается |
|
|
|
||||
не от |
положительного |
напряже |
|
|
|
|||
ния |
+ Еб, |
а |
от |
отрицатель |
Рис. |
Схема мультивнбра- |
||
ного —Ек. |
|
|
|
|
||||
|
|
может быть |
|
тора |
|
|||
Мультивибратор |
|
|
|
|||||
симметричным |
и |
несимметрич |
|
|
|
|||
ным. Е С Л И |
ВЫПОЛНЯЮТСЯ УСЛОВИЯ: RKl = R K2, |
Röl—Rëü, |
Ci = C2 |
и транзисторы однотипны, то мультивибратор называется сим
метричным |
и скважность выходного сигнала UKl или ІІк2 ( с м . |
рис. 10.2) |
равна двум. |
Рассмотрим работу симметричного мультивибратора как наи более простого. Так как схема симметрична, то можно предполо жить, что после ее включения токи в транзисторах и напряже ния на конденсаторах достигнут одинаковой величины и муль тивибратор будет находиться в равновесии.
Однако устойчивое состояние, при котором оба транзистора открыты, невозможно. Устройство мгновенно переходит в состоя ние, при котором один транзистор открыт, а другой закрыт (это было подробно изложено при рассмотрении схемы триггера). В этом состоянии открытый транзистор поддерживается в ре жиме насыщения отрицательным смещением, которое подается от —Е'к через резистор Rs, а закрытый — в состоянии отсечки положительным напряжением емкости, прикладываемым к базе. Это состояние мультивибратора сохраняется до тех пор, пока не разрядится емкость, поддерживающая один транзистор запер тым. Как только разряд емкости закончится, схема переклю чится в новое состояние. Таким образом, транзисторы в мульти вибраторе по очереди находятся или в режиме отсечки или в режиме насыщения ис каждого коллектора можно снять прямо
го
угольные импульсы с амплитудой, почти равной величине источ ника питания.
Рассмотрим работу мультивибратора более подробно. На рис. 11.2 приведены диаграммы токов, протекающих через тран зистор, и напряжений на электродах транзистора. Диаграммы помогут понять принцип действия схемы.
Рассмотрение процессов, происходящих в мультивибраторе, начнем с момента времени t= t0 (см. рис. 11.2).
В этот момент транзистор Г, заперт, а Гг — открыт. Конден сатор С2, заряженный в момент переключения до значительного положительного напряжения, прикладываемого к базе, раз ряжается через открытый тран зистор Г2 и резистор Дб2- Ток разряда конденсатора создает положительное запирающее напряжение на базе транзисто ра Т у . К моменту времени t\ конденсатор С2 разрядится до напряжения отпирания транзи стора, II транзистор Г, начи
нает отпираться. Коллекторный ток транзи
стора Гу увеличится. Это при ведет к увеличению потенциала на коллекторе за счет увеличе ния падения напряжения на резисторе RK. Изменение по тенциала коллектора Т\ пере дается на базу транзистора Г2
Рис. 11.2. Временные диаграммы и вызывает уменьшения его
мультивибратора коллекторного тока и сниже ние потенциала на коллекторе.
Это уменьшение потенциала, в свою очередь, передается на базу транзистора Ту. Коллекторный ток транзистора Ту еще больше увеличится. Это приведет к еще большему нарастанию потенциа ла на его коллекторе и, следовательно, к уменьшению тока базы
и коллектора транзистора |
Г2 и т. д. |
|
тока |
транзистора |
|
|
Процесс нарастания |
коллекторного |
Т у |
||||
и уменьшения коллекторного тока |
транзистора |
Г2 происходит |
||||
лавинообразно и продолжается до |
того момента, пока |
транзи |
||||
стор Ту не достигнет насыщения и |
дальнейшее |
увеличение |
его |
|||
тока прекратится, или пока транзистор |
Г2 не запрется, и ток, |
|||||
протекающий через него, снизится до величины |
неуправляемого |
|||||
тока /„о- |
|
|
|
|
большим |
|
В результате этого транзистор Г2 окажется закрыт |
||||||
положительным напряжением на базе, а |
Ту— открыт |
отрица |
тельным напряжением на базе. Величина положительного напря-
150
жения на базе транзистора Т2 может достигать величины £ к, так как напряжение на коллекторе практически изменилось на ве личину напряжения источника питания £ к (транзистор Т\ пере ходит из закрытого состояния в открытое) и все это изменение передается через емкость на базу транзистора Т2.
После кратковременного этапа формирования фронта импульса (на рис. 11.2 момент ti) наступает сравнительно мед ленный процесс формирования плоской части импульса (с мо мента 11 до t2) ■
Конденсатор С\ начинает разряжаться по цепи (—Ек), /?бі, С], открытый транзистор Т\, при этом на сопротивлении У?бі под держивается падение напряжения, достаточное для запирания транзистора Т2. Конденсатор С2 в это время заряжается по цепи ( Ек), Яи2, С2.
По мере того, как напряжение на конденсаторе С] прибли жается к нулю, положительное смещение на базе транзистора Гг уменьшается. Время пребывания схемы в этом состоянии опре деляется постоянной времени цепи разряда конденсатора
Тфаэі-> = ^?біСь
Наконец наступает такой момент (t2), когда напряжение на базе станет несколько ниже, чем на эмиттере, и транзистор Т2 начнет открываться. Потенциал на его коллекторе начинает уве личиваться, это увеличение передается на базу транзистора Ть коллекторный ток и потенциал транзистора 7, начнут умень шаться. Перепад напряжений с коллектора транзистора Ті пере дается на базу транзистора Т2, вызывая увеличение коллектор ного тока, и т. д. Весь процесс повторится в обратном направле нии. Этот процесс также проходит лавинообразно. В конце его транзистор ТI полностью запирается, а транзистор Т2 полностью
отпирается. |
Напряжение |
на |
коллекторе транзистора Т2 падает |
|
от значения |
(Е к—IKQRv2) |
д о 0, а ток коллектора |
возрастает от |
|
|
|
(Е |
2Е \ |
2Е ■ |
|
|
——-|----— . Слагаемое — — обуслов- |
||
|
|
^к2 |
^62 / |
R(i2 |
лено тем, что резистор RG2 после переключения устройства нахо дится под напряжением
Е к + U C = 2 E K .
Напряжение на базе транзистора Т2 в этот момент возрастает почти до 0, а ток базы Iв2 возрастает от значения /к0 до значения
Ек(^?бі -f- /?кі) |
,так как в момент переключения сопротивления |
|
— - |
- |
конденсатора С, пренебрежимо мало и резисторы RGI и RKі ока зываются включенными параллельно.
Поэтому ток коллектора транзистора Тt в первый момент
равен — 1 и по мере возрастания напряжения на базе
RGI-RKI
151