Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Ицхоки Я.С. Импульсные и цифровые устройства [учебник]

.pdf
Скачиваний:
101
Добавлен:
27.10.2023
Размер:
20.98 Mб
Скачать

Проинтегрируем последнее уравнение в пределах от момен­ та tN, когда ÏL = I А (рнс. 7 и 8), до момента tß, когда II = = / в :

* * М Е n ' t R '

( 1 5 Л 0 )

 

Для определения этого интеграла надо найти зависимость

между

напряжением

и и током

г'ь Для этого

пренебрежем

влиянием небольшого тока /у

и будем полагать, что на вет­

ви NB характеристики ток II Ь=. І; кроме того, воспользуем­

ся

линейной

аппроксимацией

этой

характеристики:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ufj •—ид

 

 

 

и f/B

+ ( / L — I B ) R N B ,

 

 

 

rmRNB=———.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

'N~~

 

 

Подставляя

это выражение

в

интеграл

(10), получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J Er—UB+IBRNB—iL(Rr

 

+ RNB)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применяя

подстановку

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и = Er—UB

+ / в R N B - l L (RR + R N B ) ,

 

 

 

откуда

dv = ( R R + RNB)diL,

и интегрируя,

 

найдем

 

.

 

 

,

ІА ( Я г

+ RNBI—

 

 

RNBeV+UB

 

 

 

tB

 

 

 

In

 

 

 

 

 

. (15.11)

 

 

 

R^-h RNB

 

IB Rr

—-^г +

^ в

 

 

 

 

Аналогично из выражения (8) можно найти

длительность

tx хвостовой части импульса,

соответствующей стадии вос­

становления

(рис. 8, б). Здесь

уместно

говорить

лишь об

активной

длительности

tx:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КГ+KGA

 

 

 

'А—7 В

 

 

 

Из

сравнения

формул

(11) и (12) видно, что длительности

ta

и tx

определяются

 

соответственно постоянным

времени

LT/(RV +

RNB)

И LR/(Rr-i-ROA)-

Так

как

сопротивление

RCA<.RNB,

 

ТО вторая

 

постоянная

времени

 

существенно

больше

первой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

400

§15.2. УСТРОЙСТВА НА ЛАВИННЫХ ТРАНЗИСТОРАХ (УЛТ)

1.Общая характеристика УЛТ. В последнее время в импульс­ ных устройствах стали применять транзисторы, работающие в ла­ винном режиме, при котором существенную роль играет ударная ионизация носителей в коллекторном переходе. Такие транзисторы

называются лавинными. Вольтамперная характеристика лавин­ ного транзистора (ЛТ) отличается наличием в ней участков, на которых дифференциальное сопротивление отрицательно. В зави­ симости от схемы включения транзистора его вольтамперная ха­ рактеристика может иметь вид S-образной или УѴ-образной кри­ вой [162].

S)

f Рис. 9,

ЛТ сочетают в себе широкие возможности обычных транзисторов с качественно новыми возможностями приборов с отрицательным

сопротивлением

типа

ТД, но в отличие от них являющихся трех-

полюсниками, а

не

двухполюсниками.

Обладая

быстродействием,

не уступающим быстродействию

ТД,

лавинные транзисторы позво­

ляют осуществлять управление

их вольтамперной

характеристикой,

и они могут работать в значительно более широком диапазоне на­ пряжений. Используя ЛТ, сравнительно просто удается получать импульсы напряжения с длительностью фронта около 1 не и высо­ той в несколько десятков вольт. ЛТ могут использоваться для ге­ нерации импульсов с частотой повторения порядка 100 МГц [162]. Эти свойства ЛТ открывают широкую перспективу их разнообраз­ ного применения в импульсных устройствах.

2. Характеристики ЛТ. Чаще всего ЛТ используется как при­ бор с S-образной вольтамперной характеристикой. В этом случае он включается по показанной на рис. 9, а схеме, где источник тока управления / у и резистор RQ позволяют получать вольтамперные характеристики различной формы.

Уравнения статических вольтамперных характеристик ЛТ

выводятся из представленной на рис. 9, б эквивалентной схемы. Здесь г§ — объемное сопротивление базы и гэ эквивалентное

401

сопротивление эмнттерного перехода, которое определяется из­ вестным выражением для тока эмиттера [97, 98].:

где

/ э о

— начальный

ток

эмнттерного

перехода.

Отсюда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^э-б

'

4>r

(h

\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r B = - p - = - p l n

+1

.

 

 

(15.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

'

. I

 

\

' uo

/

 

 

 

 

 

Отличительной

особенностью

эквивалентной

схемы

является

то,

что в ней генераторы

тока,

определяющие

ток коллектора

 

 

 

 

 

 

 

 

/ к = Л * ( / „ в

+ а 0 / 8 ) ,

 

 

 

(15.14)

 

умножены на коэффициент

M ударной

ионизации;

он выражается

соотношением [97,

98]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 -

KJuMy

 

 

 

(15.15)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

t/к-б напряжение на

коллекторном переходе (практически

можно

принять

Ѵк-б =

U^)\

Uм

— напряжение лавинного пробоя

коллекторного

перехода

 

и п — коэффициент,

зависящий

от типа

транзистора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используя формулы (13)—(15), из приведенной эквивалентной

схемы можно получить такие соотношения [163[:

 

 

 

 

 

 

 

 

-

Ѵк-ь =имѴ1-лІМ\

 

 

 

 

(15Л6)

 

 

 

 

 

 

 

ІП f + Л + /В / у - 5 — І - Г -

 

 

 

 

 

м= R* + r*

U

 

 

а о

' о +

' ко

^ 0

.

 

( 1 5 . 1 7 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формулы (14)—(17) полностью определяют семейство вольт-

амперных характеристик ЛТ. Задавая значения

тока

/ э

и после­

довательно определяя М, / к

и

ѴК

UK-Ь, МОЖНО затем

построить

вольтамперные

характеристики ЛТ для различных "значений / у

=

— const и

Äg = const,

являющихся

п а р а м е т р а м и

харак­

теристик. Вид семейства

таких

характеристик показан на рис. 10

[163].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кривая а (рис. 10) представляет собой характеристику кол­

лекторного перехода

при токе эмиттера / э =

0 (т. е. при оборван­

ной . цепи эмиттера). Эта кривая

описывается

уравнением / к

= э

•=

МІК0.

Кривая

б

представляет характеристику транзистора при

/ у

= 0, # б =

0 0

и /б = 0 (т. е. при оборванной

цепи базы). В этом

случае пробой перехода происходит при напряжении

 

 

 

Остальные

кривые

на

рис.

10

относятся к

случаю,

когда R6

=

= const. При / у = 0 получаем кривую в, которая иа начальном

402

участке совпадает с кривой а, но в отличие от нее имеет падающий участок. При /у < 0,'создающем базовое напряжение запирающей полярности, получаем кривую г; на иачальньм участке она еще в большей области совпадает с кривой а, но здесь наблюдается не-

которое

увеличение

 

напряже­

Область

Лавинная

ния

и

тока

экстремальной

 

область

точке. При /у > 0,

создающем

 

 

базовое

напряжение

 

отпираю­

 

 

щей

полярности,

 

получаем

 

 

кривую д;

здесь

экстремальная

 

 

точка

кривой

получается

при

 

 

меньшем

значении

 

напряже­

 

 

ния

ІІц.

 

 

 

 

 

 

волыпа-

 

 

Таким

образом,

 

 

 

мпернап

характеристика

ЛТ'

 

 

в отличие

от

 

характеристики

 

 

ТД является

 

легко

 

 

управля­

 

 

емой.

Область

лавинного

ре­

 

 

жима

расположена

между

по­

 

 

казанными

на

рис.

 

10

верти­

 

 

кальными линиями, фиксирую­

 

 

щими на

оси

абсцисс

порого­

 

 

вые напряжения

 

и

ІІМ,

ко­

 

 

торые выражают пробивное на­

 

 

пряжение

перехода. Ширина области лавинного режима обычно зна­

чительно

превышает

ширину области нормального режима работы

(при

UK

<

t/ß).

Для

сопоставления

на рис.

10 пунктирными ли­

ниями изображены выходные характеристики транзистора при нормальном режиме работы.

0 Uß EKUJ> £к ак

 

 

а)

 

б)

 

 

 

 

Рис. 11.

 

 

3. Режимы работы

УЛТ. На рис. 11, а изображена основная

схема УЛТ. В зависимости от

выбора рабочей точки транзистора

на

основе

этой схемы

можно

построить триггер,

релаксационный

генератор,

работающий

в автоколебательном ИЛИ

ждущем режиме,

и

другие

импульсные

устройства.

 

f 9

Зависимость режима работы схемы от в ыбора рабочей точки поясняется построениями, приведенными на рис. 11, б. Здесь по­ казаны возможные положения нагрузочной прямой, определяемые

сопротивлением RK.

 

 

характеристику

В положении J нагрузочная прямая пересекает

.транзистора

в трех

точках.

В этом случае на основе показанной

на рис.

11,

а схемы

может

быть построен триггер.

Переключение

триггера

из одного положения в другое может осуществляться раз-

нополярнымп импульсами напряжения, подаваемыми на базу тран­ зистора. Недостатком такой схемы триггера является большое оста­

точное

напряжение на включенном транзисторе, примерно равное

Up.

Принципы

построения

некоторых

вариантов схем триггеров

на ЛТ

описаны

в работе [164].

 

 

 

 

 

В

положении 2 нагрузочная прямая пересекает

вольтампер-

ную

характеристику

в одной точке на

участке

о т р и ц а т е л ь ­

н о г о

сопротивления. В этом случае на основе рассматриваемой

схемы

строится

релаксатор,

работающий

в автоколебательном

ре­

жиме.

Конденсатор

С заряжается через

резистор

RK,

и как только

напряжение

на

конденсаторе

достигнет

величины

t/p

(рис.

11, б)

развивается

регенеративный

процесс разряда конденсатора

через

ЛТ. ПосЛе разряда конденсатора транзистор запирается и проис­

ходит заряд конденсатора через резистор

RK,

после

чего процесс

повторяется. Форма образуемых здесь импульсов

типична для клас­

сических релаксаторов на приборах с

S-образноіі

характери­

стикой.

 

 

 

Вположении 3 нагрузочная прямая пересекает характеристику

водной точке, расположенной на участке п о л о ж и т е л ь н о го

дифференциального

сопротивления в области м а л ы х

токов.

Это соответствует

стабильному исходному состоянию

п о к о я

системы. При подаче запускающего импульса отпирающей поляр­ ности рабочая точка кратковременно выводится па участок отри­

цательного сопротивления, что вызывает регенеративный

процесс

разряда конденсатора. Этот случай соответствует ждущему

режиму

работы

релаксатора.

 

Другой вариант ждущего релаксатора возможен при

выборе

положения 4 нагрузочной прямой. Здесь точка, соответствующая состоянию п о к о я системы, расположена в области б о л ь ш и х токов. В исходном состоянии покоя ЛТ включен и конденсатор

разряжен

до напряжения,

близкого к

U^.

При подаче импульса

запирающей

полярности ЛТ

запирается

и

конденсатор начинает

заряжаться.

Когда напряжение на нем

достигнет значения і/р,

ЛТ вновь отпирается, конденсатор разряжается, и система при­ ходите исходное состояние покоя. Разрядный импульс в этом слу- 4 чае появляется с задержкой, определяемой временем заряда кон­

денсатора от напряжения до Up.

Для получения положительного наклона вольтамперной ха­ рактеристики в области допустимых токов транзистора, в цепь

эмиттера

включается

резистор

Ra, показанный

на

рис. 11,

а пунк­

тиром. Иногда в цепь конденсатора включается

нагрузочный

эле­

мент

RH,

также показанный на рис. 11, а пунктиром.

 

на

 

Для

получения

нужной

формы импульсов

показанная

рис.

11,

а схема дополняется той или иной формирующей

цепью.

Так,

например, на

рис. 12 изображена схема

генератора

прямо-

404

угольных импульсов малой длительности. Здесь формирование им­

пульса происходит в результате разряда через ЛТ

формирующего

двухполюсника в виде отрезка кабеля. Применение

ЛТ позволяет

с помощью такой схемы получать на согласованной нагрузке им­ пульсы напряжения с длительностью фронта менее 1 не. При им­

пульсах большей длительности можно вместо

отрезка кабеля

использовать

формирующую

искусственную линию.

 

В работах [165—169] описаны принципы построения и особен­

ности

работы

импульсных

устройств различного

назначения.

4.

Регенеративный процесс в релаксаторах

на

ЛТ обусловлен

лавинной инжекцией неосновных носителей. Возникающие при

ударной

ионизации

основные

 

 

 

носители,

входя

 

в область

ба­

 

 

 

зы,

снижают

потенциальный

 

Формирующая

барьер

эмиттерного

перехода,

 

что

вызывает

инжекцию

неос­

 

линия

новных

носителей.

Развиваю­

 

T

,

щийся

при этом

процесс

носит

 

 

Вых.

лавинообразный

 

характер.

Он

 

 

 

прекращается

 

из-за

разряда

 

 

 

конденсатора,

определяющего

 

 

 

коллекторное

напряжение

ик,

 

 

 

так как при этом уменьшается

 

 

 

степень

 

ударной ионизации.

 

Рис. 12.

 

Регенеративный

 

процесс

 

на­

 

 

копления

заряда

в базе

пре­

 

 

 

кращается в

момент,

когда

коллекторное

напряжение

падает до

критической

величины Up.

При этом число

носителей,

входящих

в базу со стороны коллектора, равно числу

носителей, исчезающих

из

базы

 

из-за рекомбинации и инжекции

в

эмиттерную

область.

Анализ

регенеративного

процесса в релаксаторе на ЛТ

изложен

в работе

[165].

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛТ в стадии формирования импульсов работает при высоком уровне инжекции. В этом случае в базе транзистора возникает ускоряющее поле, повышающее быстродействие транзистора (сплавной транзистор становится подобным дрейфовому транзисто­ ру). Быстродействие ЛТ возрастает также благодаря уменьшению эффективной ширины базовой области при высоких коллекторных напряжениях.

Импульсные устройства на ЛТ отличаются структурной про­ стотой и содержат небольшое число элементов (как активных, так и пассивных) Наряду с простотой такие устройства отличаются высокими техническими данными, получение которых в устройствах на обычных транзисторах часто оказывается затруднительным.

Р А З Д Е Л П Я Т Ы Й

ГЕ Н Е Р А Т О Р Ы ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ

НА П Р Я Ж Е Н И Я И ТОКА

ГЛ А В А Ш Е С Т Н А Д Ц А Т А Я

ПР О С Т Е Й Ш ИЕ ГЕНЕРАТОРЫ Л И Н Е Й Н О ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ Н А П Р Я Ж Е Н И Я МЕТОДЫ Л И Н Е А Р И З А Ц И И

§ 16.1. ПАРАМЕТРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ

1. В радиоустройствах часто используется линейно

изме­

няющееся

 

напряжение

(ЛИН), которое называют также пи­

лообразным напряжением

(ПН); ЛИ Н (рис.

1) в течение не­

которого

 

времени

н а р а с т а е т

или

с п а д а е т

по

линейному

(или близкому

к нему) закону.Устройства,

фор­

мирующие

такие

напряжения, называются

генераторами

линейно

изменяющегося

 

напряжения

(ГЛИН) или генера­

торами

пилообразного

напряоксния (ГПН).

 

 

 

' 2. ГЛИН могут работать в автоколебательном или жду­

щем режиме. Показанная

на рис. 1, а, б форма ЛИН соот­

ветствует

автоколебательному режиму. Здесь

полный

цикл

' изменения ЛИН содержит две стадии: рабочую стадию

р),

в течение которой напряжение и{1) линейно изменяется от исходного значения l/хдо предельного значения £/2 ста­

дию восстановления (Тв), во время которой напряжение воз­

вращается к исходному значению. Сумма Тр + Тв = Та

=

= l/Fn

определяет

период (частоту)

повторения

ЛИН.

В ждущем режиме

работы (рис. 1, в) имеется еще

стадия

ожидания

ож), в течение которой u(t)

= const.

 

 

Рабочим перепадом ЛИН называется

величина

AUP

=

=| с Ѵ 2 - ^ | .

3.Строго линейный закон изменения напряжения и(і)

получить невозможно, но нужная практически степень при­ ближения к такому закону достижима. Степень отклонения напряжения u[t) от линейного закона (рис. 2) характери-

40J

зуют относительным изменением крутизны напряжения

(производной u'{t) = du/dt) в рабочей

стадии

 

I " ' (0 Іпаііб —1"' (/)

I тт a il м

(16.1)

 

 

І"'(01нанб

которое называют коэффициентом нелинейности. Чем мень­ ше £, тем ближе напряжение u{t) к линейному.

4. Эффективность ГЛИН оценивается коэффициентом, использования напряжения источника питания Е; этот коэф­

фициент

1

| У . - £ / і І

. (16.2)

Е

 

«У

«

г * - h —Hг в

К -

 

 

в) H-

' •

'

 

 

 

Рис.

I.

Рис.

2.

5.

Из-за

действия

дестабилизирующих

факторов

(см. § 8.1, п. 5) имеют место изменения крутизны ЛИН в на­

чале

рабочей стадии [Ди'(О)] и других параметров ЛИН

(ài/lt

ДГр и т. д.). Стабильность работы ГЛИН характе­

ризуют относительным изменением интересующих нас па­ раметров ЛИН, как, например:

.

ôa'(0) =

Дц'

(0) ;

6 ^ =

и.

р

= ДГл

(16.3)

 

 

и'

(0)

 

 

 

 

 

6. ЛИН применяется

в радиоизмерениях, телевидении,

радио­

локации, радионавигации,

радиотелеметрии,

вычислительной

тех­

нике

и в других

областях.

Зная скорость изменения ЛИН, можно

производить отсчет

весьма

малых промежутков

времени (до ~ I не)

с высокой точностью [170]. Эта идея реализуется в устройствах

временной

развертки

луча

электроннолучевых

приборов

[171—175].

ЛИЙ

находит

также

применение в каскадах

сравнения,

где фик­

сируется

момент достижения напряжением

заданного

уровня

(см. § 22.6), в устройствах

расширения

импульсов

и,

в особенности,

в устройствах

временной

задержки

импульсов

на

калиброванное

время

(см. § 22.2).

 

 

 

 

 

 

 

407

7.

Величины

параметров

ЛИН (в зависимости

от назначения):

рабочий

перепад

Д(Ур

от единиц

до сотен вольт;

микро­

длительность

рабочей

стадии

Тр — от нескольких

секунд

до нескольких

сотен

и тысяч миллисекунд*1 ;

 

длительность

стадии

восстановления

Тв (0,05 -f-

0,2)7"р;

коэффициент

нелинейности

в осциллографии — до 10%,

в телевидении — до

5%,

в

электроннолучевых

индикаторах—

до 2%; в точных

каскадах

сравнения от 0,1 до 0,2%;

 

коэффициент

использования

х — от

0,01

(у простейших

ГЛИН)

до 0,9

(у наиболее

совершенных ГЛИН);

 

 

допустимая

 

нестабильность

параметров

ЛИН: в

осцил­

лографии выражаемые формулами (3) нестабильности составляют около 5%, а в точных каскадах сравнения — около 0,1%.

§ 16.2. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ЛИН

1. Принцип построения ГЛИН основан на использовании свойства конденсатора интегрировать протекающий через него ток; это свойство выражается соотношением

 

 

 

 

 

(16.4)

где и0

=

«(0) §=; 0; знак перед

интегралом

зависит от на­

правления

тока і. Согласно формуле (4) для получения

ли­

нейного

изменения

напряжения

u(t) необходимо, чтобы в ра­

бочей стадии конденсатор заряжался или

разряжался

по­

стоянным

током

і — 1 = const; тогда

 

 

 

 

 

u=*u(t) =

U0±-jrt.

(16.5)

 

 

 

 

Li

 

 

Следовательно, основными элементами ГЛИН являются

интегрирующий конденсатор С и зарядная (разрядная) цепь, формирующая зарядный (разрядный) ток конденсато­ ра в рабочей стадии. Для восстановления же исходного на­ пряжения на конденсаторе после окончания рабочей стадии

служит коммутирующий

элемент.

Применяются две схемы построения ГЛИН: с п а р а л-

л е л ь н ы м (рис. 3, а)

и п о с л е д о в а т е л ь н ы м

(рис. 3, б) включением коммутирующего элемента. В обеих

схемах

коммутирующий

элемент разомкнут

в рабочей ста­

дии и

замкнут в стадии

восстановления. В

первой

схеме

конденсатор в рабочей стадии з а р я ж а е т

с я от

источ-

*> При длительности Тр более нескольких секунд обычно при меняют электромеханические устройства потенциометрического типа

408

ника Е, и напряжение на нем

изменяется от значения иг

до U2; в стадии же восстановления

конденсатор быстро раз­

ряжается до напряжения их.

Во

второй

схеме

в рабочей

стадии конденсатор р а з р я ж а е т с я

через

разрядную

цепь, а в стадии восстановления он заряжается через комму­ тирующий элемент.

2. В качестве коммутирующего элемента ГЛИН исполь­ зуется электронная лампа или полупроводниковый (иног­ да газоразрядный) прибор. Коммутирующий прибор рабо­ тает в ключевом режиме; он либо входит в состав релакса-

 

 

 

КоммутируюЛ

 

 

 

щий

злемант

 

 

 

 

 

Выход

 

 

Разрядная

ш

 

 

 

цепь

 

 

 

т

X I

 

 

 

 

 

S)

 

 

 

Рис. 3.

 

 

 

ционного генератора

поэтому периодически

отпирается

и запирается), либо

же

управляется

внешними

импульса­

ми.

 

 

 

 

 

Возможны два режима работы коммутирующего прибо­ ра, управляемого внешними импульсами. В одном режиме коммутирующий прибор при отсутствии управляющего импульса з а п е р т , а при его воздействии (в стадии вос­ становления) он отпирается. В другом режиме, наоборот, при отсутствии управляющего импульса коммутирующий прибор о т п е р т, а при его воздействии (в рабочей стадии) он запирается. Первый режим будем называть режимом от­ пирания коммутирующего прибора, а другой режим — ре­ жимом запирания коммутирующего прибора. ;

3. Так

к а к . | і | = С | и ' ( 0 | » откуда

 

| і | 1 Ш І б = С| и'(t)

| н а і 1 б

и '1паИм = с 1 " ' ( 0 1 н а и м Г т о

представим

формулу

(1) в виде

 

[1

Іпанб — I ( Іііаіім

Д /

=

1-

m

 

(16.6)

 

 

I 1 Іиаиб

 

1 ' Іпапб

 

 

I ' шайб

 

ГДе А/ =

I Пнаиб I

па им

Следовательно,

коэффициент

нелинейности

равен

относительному

изменению

тока

кон­

денсатора

в рабочей

стадии.

Степень

изменения этого

тока

409

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ