книги из ГПНТБ / Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства учебник

Через время 2t3 отраженная волна достигает входных зажи­ мов, вся линия оказывается заряженной до U0, а ток во всех точ­ ках линии (и нагрузке Ru) и напряжение на нагрузке Ra стано­ вятся равными нулю. Таким образом, на нагрузке формируется

— UmRu/Rm-

При несогласованной нагрузке Rur Ф р в схеме возникают мно­ гократные отражения и постепенно устанавливается стационар­ ный режим. На рис. 3.23s показаны формы напряжений миг при

качестве накопителя энергии. Когда ключ Кл разомкнут, ЛЗ за­ ряжается через сопротивление источника Rr и сопротивление на­ грузки Ru до напряжения UQ. Если рассматривать разомкнутую линию как конденсатор с емкостью Со — /С, то длительность про­ цесса заряда линии £зар ~ 3(РГ + Ru) Со. За время заряда в элек­

трическом поле ЛЗ запасается энергия, равная у CQUQ.

С момента t = t0 замыкания ключа Кл линия начинает разря­ жаться через сопротивление нагрузки Rn = р. Разряд линии можно

230

рассматривать как распространение отрицательного перепада на­

пряжения, равный Uо/2. Через время t3 волна напряжения — U 0/2 достигает разомкнутого конца линии и отражается полностью без изменения знака. В момент t = to + 213 отраженная волна достигает начала линии, переходный процесс в схеме заканчивается и вся линия оказывается полностью разряженной. На нагрузке создается прямоугольный импульс с амплитудой U0/2 и длительностью t„ = = 213. Вся энергия, накопленная в электрическом поле линии, выделяется за время t„ в сопротивлении нагрузки RH.

При уменьшении мощности источника напряжения U0 (т. е. при увеличении Rr) увеличивается только время восстановления на­ чального заряда линии. Таким образом, схема рис. 3.24 при по­ мощи маломощного источника напряжения позволяет формировать мощные импульсы, следующие с большой скважностью.

В качестве ключа Кл может быть применен любой ключ с малым внутренним сопротивлением.

На рис. 3.25 приведен пример схемы формирователя с тран­ зисторным ключом и ЛЗ, разомкнутой на конце, а также соответ­ ствующие временные диаграммы. В «сходном состоянии транзи­ стор заперт и ЛЗ заряжена до напряжения ип = —Ек. При по­ даче отрицательного входного импульса транзистор отпирается и насыщается, ЛЗ разряжается через сопротивление RB — р. При этом на Rn формируется импульс длительностью 21 3 и амплитудой

Лк/2.

.231

С момента t%До момента t3 «ц = 0, в момент t3 на вход ключа поступает положительный перепад напряжения, транзистор запи­ рается и ЛЗ заряжается через RKи открытый диод Д. Если RK= р, то заряд линии происходит также за время 2t3 (именно этот слу­ чай иллюстрирует рис. 3.256).

Формирователи импульсов с короткозамкнутой ЛЗ

На рис. 3.26 приведены функциональная схема формирователя импульсов с короткозамкнутой на конце ЛЗ и соответствующие

грузке RЫГ*

Пример принципиальной схемы формирователя с ЛЗ, короткозамкнутой на конце, и соответствующие временные диаграммы даны на рис. 3.27.

В исходном состоянии транзистор заперт, ток через линию и

пульса равна Ек/2; длительность импульса равна 213. При запира­ нии транзистора в момент ti линия разряжается через открытый диод Д и резистор RK\ при этом на входе линии (и на выходе схемы) формируется импульс отрицательной полярности, длитель­ ность которого равна также 2 t3.

232

Форма импульса при использовании искусственных Л З

Выше предполагалось, что в рассмотренных схемах формиро­ вателей ЛЗ является однородной длинной линией без потерь, вследствие чего импульсы имели строго прямоугольную форму. Применение в качестве линии задержки д-звенной искусственной

ачем больше число звеньев линии (разд. 1.6).

На рис. 3.28 приведена форма импульсов, получае­ мых при помощи ЛЗ с чис­ лом звеньев п — 2, 3, 4. Вершина формируемого им-

пульса искажена наложенными колебаниями. Для уменьшения амплитуды этих колебаний применяют различного типа коррек­ цию. Простейший способ коррекции заключается в увеличении ин­ дуктивности выходной ячейки искусственной линии. Следует отме­ тить, что коррекция вершины импульса всегда приводит к умень­ шению крутизны фронта импульса. Наличие потерь в ЛЗ приводит к уменьшению амплитуды импульсов, а также к искажениям их формы.

233

3.6.ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ДИОДАХ

СНАКОПЛЕНИЕМ ЗАРЯДА

3.6.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Все полупроводниковые диоды, как уже отмечалось в гл. 2, об­ ладают более пли менее значительной инерционностью, обуслов­ ленной процессами накопления и рассасывания неосновных носи­ телей в базе.

Пусть диод включен по схеме рис. 3.29а; в течение достаточно большого промежутка времени (при t < 0) к диоду было прило­

Рис. 3.29

Можно выделить два временных интервала t\ и t2 изменения обратного тока іОбр(0 - В течение ti сопротивление диода остается пренебрежимо малым и практически равным прямому сопротивле­ нию диода; в этом интервале і0бр остается постоянным и опреде­ ляется величинами обратного напряжения Е2 и сопротивления на­ грузки R. В интервале t2 обратное сопротивление диода растет, ток г'обр по величине падает и стремится к нулю (точнее, к стацио­ нарному значению обратного тока / 0бр).

Механизм изменения обратного тока заключается в следующем. При прохождении прямого тока в базе диода накапливается избы­ точный заряд неосновных носителей (дырок), концентрация кото­ рых уменьшается по мере удаления от р-/г-перехода. После подачи запирающего напряжения дырки, накопленные в базе, переходят обратно в p-область диода и во внешней цепи возникает большой обратный ток / 1 « E2 jR\ э то т то к способствует рассасыванию из­ быточного заряда в базе. За время t\ избыточная концентрация дырок вблизи р-п-перехода уменьшается до нуля; дальнейшее рас­ сасывание носителей заряда в базе приводит к уменьшению гра­ диента их концентрации вблизи р-п-перехода и, следовательно, к

234

уменьшению тока во внешней цепи; за время t2 обратный ток спа­ дает практически до нуля.

Особенности переходной характеристики позволяют использо­ вать полупроводниковые диоды для формирования импульсов. Те­ оретические и экспериментальные исследования показывают, что характер спада обратного тока в течение времени t2 определяется только свойствами диода и не зависит от длительности фронта пе­ реключения диода с прямого направления на обратное. Примене­ ние диодов с достаточно малым t2 позволяет формировать пере­ пады напряжения с короткими фронтами из перепадов с фронтами большей длительности. При этом, однако, необходимо, чтобы дли­ тельность /і первой стадии была не меньше, чем длительность фронта напряжения, переключающего диод. Таким образом, для эффективного укорочения фронтов весьма существенна такая ха­ рактеристика диода, как отношение t{/t2.

Соотношение величин t[ и t2 зависит от различных факторов, однако приближенно можно утверждать, что для обычных пло­ скостных диодов при /пр ~ /1 эти величины одного порядка и при­ близительно равны времени жизни дырок т.

В последние годы благодаря специальной технологии легиро­ вания полупроводников были получены диоды, у которых 1 1на 1—2 порядка больше, чем t2. У таких диодов переходная характеристика при запирании имеет почти прямоугольную форму (рис. 3.29е, пунктир). Величина же t2 имеет порядок десятых долей наносе­ кунды. Эти диоды, получившие название диодов с накоплением за­ ряда (ДНЗ), широко применяются в наносекундной импульсной технике. Параметры ДНЗ обычно делятся на три группы: пре­

t\, t2 и время жизни носителей заряда т. Кроме того, указывается емкость Сд между выводами диода при некотором обратном сме­ щении. Именно длительность перезаряда емкости Сд (примерно Зі?Сд) в значительной мере определяет длительность фронта нара­ стания напряжения на ДНЗ. Обычно Сд = 0,5 -f-ЗпФ.

3.6.2. ФОРМИРОВАТЕЛИ КРУТЫХ ПЕРЕПАДОВ НАПРЯЖЕНИЯ

На рис. 3.30 приведены схемы формирования крутого перепада напряжения из пологого и временные диаграммы входного напря­

жения «вх(t), выходного напряжения «Вых(Он тока ід(0 через ДНЗ. От источника постоянного смещения —Е через ДНЗ проходит прямой ток, определяемый величиной R2. При подаче на вход

напряжение цВЫх мало. Затем за время t2 <С^і сопротивление ДНЗ возрастает и выходное напряжение резко увеличивается. Таким

235

образом, пологий фронт «поглощается» в течение интервала пере­ ключения /[.

Заметим, что длительность tu определяющую задержку фронта

накопленного в базе при прохождении прямого тока /щ,1).

Следовательно, изменением /Пр можно регулировать задержку выходного крутого перепада напряжения. Очевидно также, что с увеличением / пр можно «поглощать» более длительные входные перепады.

1) Процессы накопления и рассасывания заряда в базе описываются в пер­ вом приближении уравнением заряда (параграф 2.2.2). Поэтому равенство (3.26) справедливо в предположении, что длительность /Пр импульса прямого тока до-, статочна для установления заряда, т. е. іар > Зт.

236

Заметим, что в выходном напряжении ипЫх(0 имеется началь­ ная ступенька, обусловленная падением напряжения на ДНЗ. Обычно уровень этой ступеньки незначителен, однако иногда сту­ пенька устраняется при помощи импульсного диода Д2 (рис. 3.31), обладающего малым временем восстановления обратного сопро­ тивления.

Длительность фронта іфі входного перепада напряжения может быть больше t\, и тогда этот фронт не сможет быть «поглощен» в течение интервала t\ переключения ДНЗ. Возможность увеличения

часть фронта и формирует фронт выходного сигнала. Поэтому к ДНЗі не предъявляются жесткие требования в отношении дли­ тельности h второго интервала переключения, важно лишь, чтобы длительность ti была достаточно большой. Напротив, основное тре­ бование к выходному ДНЗг— малая длительность /2.

Аналогично этому в любой многокаскадной формирующей схеме можно применять ДНЗ двух различных типов; при этом выходной ДНЗ должен обладать малым временем t2, все осталь­ ные— большим временем /і. . .

237

В схеме рис. 3.32 диод Д 3 является изолирующим, его назна­ чение— исключить подачу обратного напряжения на ДНЗг, пока не закончилась первая стадия запирания ДНЗь В многокаскадных формирователях к изолирующим диодам зачастую предъявляются настолько высокие требования (очень малое время восстановле­ ния, малое прямое сопротивление), что им не могут удовлетворить

существующие диоды. В таких случаях можно строить многокас­ кадные формирователи, используя для развязки каскадов друг от­ носительно друга ЛЗ, например, отрезки коаксиального кабеля.

Такой формирователь приведен на рис. 3.33. Диоды ДНЗь ДНЗг, ДНЗз подключены анодами к центральной жиле кабеля, а

Рис. 3.35

катодами (через конденсаторы)— к экрану кабеля. Каскады от­ делены друг от друга участками кабеля, задерживающими сигнал, обеспечивая тем самым последовательное по времени формирова­ ние отрицательного импульса каждым каскадом, и исключающими влияние каскадов друг на Друга во время формирования. Прямые токи через каждый ДНЗ, задаваемые сопротивлениями Rit R2, R 3 , выбираются такими, чтобы получить для выходного диода мини­ мальное время t2, а для предшествующих диодов — максимальное время tj.

В описанных схемах ДНЗ включены параллельно нагрузке и формируют передний фронт импульса. На рис. 3.346 показаны

238