книги / Справочник по микроэлектронной импульсной технике

варядится до напряжения уЕ (момент t±на рис. 10.4, а), откроется опорный днод VD3, тон заряда (базовый ток VT2) резко уменьшится, транзистор VT2 закроется, в результате че­

бы момент отпирания опорного диода приходился на середину периода Те между (п — 1)-м и я-м тактовыми импульсами. Поэтому необходимо выполнять условие

Для получения максимально возможного коэффициента деления пшах, при котором еще обеспечивается устойчивая работа автогенератора при постоянном коэффициенте де­

генератора.

При симметрии автогенератора максимальный коэффициент деления, определяемый

меньше определяемого выражением (10.25), так как во время большей стадии будет дос­ тигаться коэффициент лП1ах, а во время меньшей п"тйх < пт х .

Максимальный коэффициент деления, например, при б^пер =0,03 согласно выражению

вания импульсов с достаточно большим и стабильным коэффициентом деления.

Как видно из рис. 10.4, наряду с выходными импульсами, имеющими длительность /и = пТс и скважность Q = 2, с помощью рассмотренного генератора можно получить

импульсы с периодом Т = 2пТс и длительностью tn 0,5 Тс. Для этого с помощью эле­

мента И необходимо образовать конъюнкцию, например / Д (?._Выходное напряжение

этого элемента будет представлять собой короткие импульсы JQ со скважностью Q = = 2лГс/0,5 Тс = 4я.

251

Если с помощью элемента И образовать логическое произведение JK, то получаются импульсы с той же длительностью tjyi периодом Tl = tB.

Заторможенный генератор на синхронном JK -триггере имеет схему, аналогичную схеме, изображенной на рис. 10.1, в. Отличие заключается лишь в том, что коллектор транзистора VT необходимо соединить с /С-входом J/C-триггера, а запускающий импульс подавать на J-вход.

Особенности работы заторможенного генератора заключаются в следующем. До подачи запускающего импульса конденсатор варяжен до напряжения, почти равного £ .

Транзистор VT закрыт, К = 1, Q = 1, Q = 0 (рис. 10.4, б).

При подаче на /-вход триггера запускающего импульса положительной полярности* временное положение которого совпадает с временным положением одного из тактовыя (синхронизирующих) импульсов, триггер опрокидывается, поскольку / = С = К = 1 . Диод VD1 запирается, конденсатор С начинает разряжаться, стремясь перезарядиться до напряжения Е> полярность которого противоположна исходной. Ток перезаряда течет по цепи: участок база — эмиттер насыщенного транзистора VT, выход Q триггера, источник'питания Е и резистор R. В момент tf напряжение ис достигает значения уЕ и опорный

диод VDJ, отпираясь, обусловливает резкое уменьшение до нуля зарядного (базового) тока, что приводит к запиранию транзистора VT. Потенциал его коллектора возрастет

С после этого начнет быстро разряжаться, стремясь зарядиться до исходного напряже­

ния по цепи: выход Q триггера, диод VD2, конденсатор С, диод VD1, выход Q триггера. Транзистор VT при этом остается закрытым.

Как видно из рис. 10.4, б, образовав с помощью логического элемента И логическое произведение KQ, наряду с основным импульсом, имеющим длительность /и>можно полу­

чить короткий импульс длительностью tu . Длительность импульса в этом случае определя­

ется по формуле (1 0 .2 1 ).

Для нормальной работы заторможенного генератора параметры его схемы необхо­ димо рассчитать так, чтобы момент отпирания опорного диода оказался в середине между (п — 1)-м и n-м тактовыми импульсами. Это условие реализуется при выполнении равенства (п — 0,5) TG= /пер, где время перезаряда /пер = RC In [2/(1 — у)]. Макси­

мальное значение коэффициента п в формуле (1 0 .2 1 ) для /и определяется, как и для авто­ генератора, по формуле (10.24).

Особенность этого импульса заключается в том, что с тактовым импульсом совпадает не его фронт, а срез. Относительно момента запуска он задержан на время /зд = (л —

— 0,5) Г0.

7.ГЕНЕРАТОРЫ НА СИНХРОННОМ ТРИГГЕРЕ

ИИНТЕГРАЛЬНОМ КОМПАРАТОРЕ

Генераторы на синхронном триггере, как было установлено выше, можно успешно использовать в качестве высокостабильных импульсных делителей частоты повторения с большим коэффициентом деления п.

Особенности работы генератора на синхронном //С-триггере с объединенными /•

и/С-входами и интегральном компараторе (рис. 10.5, а) сводятся к следующему. Пусть

вмомент / = 0 включается источник питания и триггер оказывается в состоянии, при

иVD4 при этом закрыты. Когда напряжение ис достигнет уровня опорного напряжения

истанет больше его, диод VD3 откроется, а выходное напряжение компаратора начнет быстро уменьшаться (момент t± на рис. 10.5, б). На J (К ) инверсный вход триггера посту­ пит отрицательный перепад напряжения. Однако триггер в этот момент не опрокинется,

анапряжение ис будет продолжать увеличиваться. Опрокидывание произойдет в момент

t2, когда на С-вход триггера поступит л'-й тактовый (синхронизирующий) импульс, где п' — коэффициент деления, получаемый в течение длительности tu.

252

После опрокидывания триггера конденсатор начнет разряжаться, стремясь переза­ рядиться до напряжения Е противоположной полярности. Перезаряд теперь происходит через диод VD1, выход Q триггера, источник питания Е и нижний резистор R. В момент *8> когда ис достигнет уровня Uon, начнет отпираться диод VD4 и опрокидываться

компаратор. Однако триггер снова опрокинется только в момент /4, когда на С-вход по­ ступит очередной тактовый импульс. Процессы, таким образом, периодически повто­ ряются.

Для обеспечения устойчивой работы генератора параметры его схемы необходимо рассчитать так, чтобы момент / 3 срабатывания компаратора оказался на одинаковом уда­ лении по оси Бремени от (п! — 1)-го и n '-го им­

пульса. Если принять t2 = 0 и воспользоваться выражением

8 . ГЕНЕРАТОРЫ С ЧАСТОТНОЙ И Ш ИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Для осуществления линейной частотной модуляции в широких пределах можно использовать построенный на асинхронном триггере и компараторе генератор, в котором вместо резисторов времязадающих цепей применены генераторы стабильного тока (рис. 10.6, а). Чтобы обеспечить линейную зависимость между частотой и управляющим напряжением, необходимо при постоянном опорном напряжении изменять ток перезаряда конденсаторов. Поэтому эмиттерные резисторы транзисторов подключаются к источнику управляющего напряжения. При постоянном потенциале баз транзисторов увеличение управляющего напряжения вызывает увеличение тока перезаряда, уменьшение времени

253

перезаряда и, следовательно, увеличение частоты повторения. Принцип работы такого автогенератора аналогичен принципу работы автогенератора, схема которого изображена на рис. 10.3, а.

Особенность рассматриваемого здесь генератора заключается в том, что конденсатор перезаряжается постоянным током, и поэтому напряжение на нем изменяется по линей­

ному закону (рис. 1 0 .6 , б). При Q = 1, Q = 0 диод VD1 закрыт и конденсатор С переза­ ряжается током транзистора VT1 через диод VD2. Когда напряжение ис достигнет Uon9

диод VD3 откроется, напряжение на выходе компаратора упадет, триггер опрокинется, диод VD2 закроется и конденсатор будет перезаряжаться током транзистора VT2 через диод VD1. Когда конденсатор перезарядится до Uon, откроется диод VD4, напряжение

на выходе компаратора снова упадет и триггер снова опрокинется. Процессы в генераторе таким образом периодически повторяются.

Для обеспечения нормальной работы генератора необходимо выполнить три условия. П е р в о е заключается в том, что базы транзисторов должны иметь постоянный по-

254

Из выражения (10.34) видно, что для увеличения допустимого значения Диупр не­ обходимо уменьшить Uon. При малом UQTJ согласно выражению (10.38) получается

большая девиация. Поэтому опорное напряжение должно быть небольшим.

При очень малом Uon существенно сказываются всякого рода дестабилизирующие

факторы и согласно выражению (10.39) потребуется большая постоянная времени СЯЭ. Поэтому целесообразно сначала выбрать Uon = 1... 1,5 В, а затем с помощью выражения

(10.39), сообразуясь с приемлемым значением CR3t его уточнить. Полагая Uon таким об­ разом выбранным и решая уравнения (10.34) и (10.35) относительно U и Дыупр, получаем

Широтно-импульсная модуляция с линейным законом модуляции в широких пре­ делах заторможенного генератора (рис. 1 0 .6 , в) обеспечивается перезарядом предвари­ тельно заряженного конденсатора постоянным током.

Когда напряжение и0 достигнет значения управляющего напряжения, действующего на нижнем входе компаратора и играющего роль опорного, напряжение на выходе компара­

ное напряжение —Е.

Для обеспечения линейной широтной модуляции в больших пределах необходимо вы­ полнить четыре условия. П е р в о е у с л о в и е заключается в том, что управляющее напряжение должно состоять из двух составляющих: постоянной U и переменной ±Дыупр, обеспечивающей изменение длительности импульса на ±Д£Иотносительно сред­

него значения £и0, определяемого величиной U. При этом всегда должно выполняться ус­ ловие U = Дыупр + (1... 1,5) В.

Во время формирования импульса, происходящего при перезаряде конденсатора от

—Е до (/упр, переход коллектор — база транзистора не должен открываться, когда уп­

Для того чтобы транзистор не запирался и проводил ток, в несколько раз больший

Ч е т в е р т о е у с л о в и е заключается в том, что максимум управляющего на­

255

/Для увеличения широтной модуляции, как видно из выражения (10.45), необходимо добиваться максимально возможного увеличения Дыупр и уменьшения U. Задавшись то­

ком I и сопротивлением R3 = (5...10) кОм, согласно выражению (10.42), можно найти требуемое значение

U6 = E — R3I.

Тогда согласно условию (10.41)

£/ + Диупр< £ - Я э/.

Полученное значение суммы U + Даупр необходимо разделить между U и Диупр так» чтобы U = Д«упр + (1... 1,5) В. Это необходимо для того, чтобы минимальное управ­ ляющее напряжение на входе компаратора U — Диупр было больше напряжения на от­

крытом диоде VD2 и напряжения на входе Q°, соответствующего логическому нулю.

9. МНОГОФАЗНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА АСИНХРОННЫХ ТРИГГЕРАХ

Многофазные генераторы широко применяются в качестве генераторов тактрвых им­ пульсов. Принцип их построения основан на использовании обычных (однофазных) гене­ раторов, соединяемых между собой так, чтобы обеспечить генерирование нескольких пос­ ледовательностей импульсов, каждая из которых сдвинута по оси времени (по фазе) отно-

параторах с усилителями сводится к следующему.

Пусть в режиме автоколебаний в момент t = 0 триггер DD1 (рис. 10.7, а) переходит

в состояние Qi = 1, Qi = 0 (рис. 10.7, б). Тогда ранее зарядившийся до напряжения —уЕ конденсатор С1 начнет разряжаться, стремясь перезарядиться до напряжения +/?• Цепь перезаряда конденсатора С1 состоит из участка база — эмиттер транзистора VT2,

диода VD2, выхода Qi, источника питания Е, верхнего резистора R и диода VD3. В мо­ мент ti (рис. 10.7, б) конденсатор зарядится до опорного напряжения уЕ , откроется диод VD5, ток через базу транзистора VT2 начнет быстро уменьшаться, напряжение на его кол­ лекторе быстро увеличится. Если этот коллектор соединить непосредственно с /-входом

256

триггера DD2, последний перейдет в состояние, при котором Q2 = 1, Q2 = 0. Конденса­ тор С2, ранее зарядившийся до напряжения —уЕ, теперь начнет разряжаться, стремясь перезарядиться до напряжения + £ . Цепь перезаряда этого конденсатора аналогична рас­ смотренной цепи перезаряда конденсатора С/. Когда в результате перезаряда напряжение иС2 достигнет значения уЕ (момент t — t2), опорный диод VD11 начнет отпираться, ток

перезаряда, протекавший через участок база — эмиттер транзистора VT4, начнет быстро уменьшаться, обусловливая его запирание и повышение потенциала его коллекто­ ра. Если последний соединить с /(-входом триггера DD1 в момент t2он перейдет в состоя­

Конденсатор С/, зарядившийся до напряжения уЕ, начнет перезаряжаться, стре­ мясь зарядиться до напряжения —Е. Цепь перезаряда состоит из участка база — эмиттер

VT1, диода VDJ_, выхода Qx триггера, источника питания Е, нижнего резистора R , диода

VD2 и выхода Qx триггера. Транзистор VT1 при этом открыт и насыщен. Когда напряже­ ние иС[ в; результате перезаряда достигнет уровня —уЕ, опорный диод VD6 откроется,

перезаряд конденсатора С/ прекратится, транзистор VT1 закроется, что вызовет появление высокого потенциала на его коллекторе (момент t3). Если последний соединить с /(-входом триггера DD2t то в момент / 3 он опрокинется, перейдя в состояние, при кото­

/н = 2;сд = 2ЯС In [(l + Y )/(l-Y )b

Период следования импульсов в каждой из последовательностей

Г = 4/сд.= 4RC In [(1 + Y )/(1 -Y )1 .

При полной асимметрии схемы, когда Сх Ф С2, а сопротивления нижних и верхних

Каждый из этих временных интервалов определяется по формуле (10.46) с различными

требуемые временные параметры импульсов.

Схема л-фазного генератора и временные диаграммы трехфазного генератора изобра­ жены на рис. 1 0 .8 , а, б.

Принцип построения и работы л-фазного генератора не отличается от принципа ра­ боты двухфазного генератора. Процессы перезаряда конденсаторов определяются состоя­ нием соответствующих триггеров, а вырабатываемый компаратором сигнал переключе­ ния подается на вход другого триггера. Это и обеспечивает временной сдвиг между после­

257

При полной асимметрии, когда конденсаторы имеют разные емкости, верхние и ниж­

Наряду с автоколебательными можно использовать и заторможенные многофазные генераторы. Они предназначены для получения под действием одного запускающего им-

Q

Рис. 10.8

пульса нескольких импульсов, сдвинутых во времени относительно друг друга на опре­ деленное время.

Для обеспечения заторможенного режима в двухфазном генераторе необходимо ис­ ключить связь между коллектором VT3 (рис. 10.7, а) и ./-входом триггера DDL

В трехфазном генераторе (рис. 10.8, а) необходимо исключить связь между коллекто­ ром VT5 и /-входом триггера DD1. Запуск полученных таким образом заторможен­ ных генераторов обеспечивается подачей импульсов на освободившийся /-вход триг­ гера DDL

Процессы в заторможенном двухфазном генераторе можно рассмотреть с помощью временных диаграмм для автоколебательного режима (рис. 1 0 .7 , б). Как видно из этих диаграмм, в момент tx на коллекторе VT3 вырабатывается перепад напряжения положи­ тельной полярности. Если его не подать на /-вход триггера DD1, генератор затормо­

зится в состоянии, при котором иС1 = иС2 = —уЕ, Qi = Qa = 0 , Q i= Q2 — 1 • В этом

состоянии генератор окажется после включения источника питания, если не подавать запускающий импульс. Следует только подчеркнуть, что переход в это исходное состоя­ ние может произойти после нескольких промежуточных состояний, характеризуемых временными диаграммами (рис. 10.7, б) в интервале времени 0.../4.

При подаче импульса запуска на /-вход триггера DD1 произойдет его переход в со­

стояние, при котором Q = 1 , Qi = 0. Затем протекают процессы, описанные при рассмо­ трении автоколебательного режима в интервале времени 0.../4. При этом генерирование импульса положительной полярности на выходе Qx закончится в момент /2* В момент ti начнется генерирование импульса на выходе Q2 и закончится в момент /3. Стадия восста­ новления генератора характеризуется перезарядом конденсатора С2 до напряжен

258

ния —уЕ. Время восстановления

ta = RC In [(1 + Y)/(l — V)J-

Длительность импульса и временной сдвиг между ними определяются, как и для ав­ токолебательного режима.

Глава 11

ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОПТРОНАХ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОПТРОНАХ

Оптрон — оптоэлектронный прибор, состоящий из светоизлучателя и фотоприемни­ ка, конструктивно связанных друг с другом тем или иным видом оптической и электри­ ческой связи. Принцип действия оптрона любого вида основан на том, что в светоизлучателе электрическая энергия сигнала преобразуется в световую, а последняя в фото­ приемнике преобразуется в электрический сигнал. Электрический сигнал на излучатель может поступать от внешнего источника и от фотоприемника, а световой сигнал на фото­ приемник — от излучателя и извне. Поэтому и светоизлучатель и фотоприемник могут выполнять роль элементов электрической или оптической цепей.

Наличие элементов цепей положительной и отрицательной обратной электрической и оптической связи обусловливает большие функциональные возможности оптронов, а отличные развязывающие свойства, достаточно высокое быстродействие, полная сов­ местимость с интегральными микросхемами по электрическим, конструктивно-технологи­ ческим и эксплуатационным параметрам открывают широкие перспективы использования

состоящие из излучателя и оптически связанного с ним фотоприемника, и оптоэлектрон­ ные интегральные микросхемы, состоящие из одной или нескольких оптопар и элек­ трически соединенных с ними согласующих или усилительных устройств. Для ИУ наи­ более приемлемыми являются оптоэлектронные переключающие микросхемы, изобра­ женные на рис. 1 1 .1, б и в.

Вкачестве светоизлучателя в оптроне обычно используется светоизлучающий диод,

ав качестве фотоприемника — фотодиод, фототранзистор, фототиристор и фоторезистор.

Рис. 11.1

В зависимости от того, с чем сочетается светодиод, различают оптроны диодные, тран­ зисторные, тиристорные и резисторные. В резисторных оптронах в качестве излучателя используются электролюминесцентные конденсаторы и лампы накаливания.

Для ИУ наиболее подходящим является диодный оптрон, отличающийся наиболее высоким быстродействием. Как элемент электрической цепи диодный оптрон является четырехполюсником, входные характеристики которого определяются характеристика­ ми светодиода. На рис. 1 1 .2 , а—в изображены входная, выходные и передаточная харак­ теристики диодного оптрона типа АОДЮ1. Выходные характеристики оптрона зависят от фотодиода, а передаточные — от светодиода, фотодиода и светопроводящей среды.

Основной недостаток современных оптронов —- очень малый (0,01...0,03) коэффици­ ент передачи входного тока. В оптронных переключателях-инверторах этот недостаток сведен к минимуму благодаря применению усилителя — сложного инверторас

259

Современные оптроны имеют полосу пропускания от 0 до 100 МГц и более. Полная однонаправленность передачи информации, большое сопротивление гальванической раз­ вязки (1016 Ом) и малая емкость паразитной связи (0,0001 пФ), возможность исполнения в виде интегральной микросхемы — все эти достоинства делают оптроны прекрасными заменителями импульсных трансформаторов в различного рода ИУ.

2. ПРОСТЕЙШ ИЕ ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСОВ НД ОПТРОННЫ Х ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯХ

Оптронный переключатель состоит из оптопары и инвертора — элемента НЕ. По­ этому для создания положительной обратной связи необходимо обеспечить инверсию передаваемого сигнала с помощью оптопары. Тогда два последовательно включенных инвертора — опгопара и элемент НЕ, которым условно заменен инвертор переключателя (рис. 11.3, а) обеспечат положительную обратную связь в генераторе. Действительно, при увеличении напряжения uD уменьшается сопротивление фотодиода, увеличивается

входной и уменьшается выходной сигналы элемента НЕ. Вследствие наличия времязадающего конденсатора С, уменьшение выходного напряжения элемента НЕ вызывает увели­ чение тока светодиода и т. д. Таким образом, в генераторе развивается лавинообразный процесс перехода элемента НЕ в нулевое логическое состояние, если выходной ток ин­ вертора больше тока возбуждения диода. Конденсатор С после этого заряжается от ис­ точника питания Е через светодиод и выход элемента НЕ. По мере заряда ток конденса­ тора и напряжение диода уменьшаются. При этом, в зависимости от сопротивления ре« зистора R , окончание процесса заряда конденсатора может быть двояким.

Если сопротивление R мало и ток светодиода io = (Е — Ur)/R больше граничного

260