Проектирование импульсных устройств радиотехнических систем. В 2 частях. Ч.1. Учебное пособие

1.3. Элементная база

электроники существенно снижается при их массовом производстве, наибольшее распространение получили универсальные интегральные схемы, функциональная специфика которых обеспечивает возможность их применения при построении широкого класса устройств. К таким интегральным схемам относятся:

1.Матрицы интегральных элементов – резисторов, диодов, транзисторов. В отличие от дискретных компонентов элементы матриц, изготовляемые групповым способом на одной подложке, обладают взаимосогласованными характеристиками. При идеальном согласовании однотипные элементы обладают строго одинаковыми (или строго пропорциональными) параметрами в полном диапазоне внешних воздействий. От интегральных матриц следует отличать резисторные и конденсаторные блоки, представляющие собой наборы дискретных компонентов, заключенных в общий корпус с выводами, конструктивно совместимыми с выводами микросхем. Их использование позволяет автоматизировать процессы сборки аппаратуры.

2.Интегральные схемы усилителей постоянного тока с дифференциальным входом и большим коэффициентом усиления. Этого типа интегральные схемы делятся на две группы: операционные усилители (ОУ), предназначенные для работы в линейном режиме, и компараторные усилители (КУ), предназначенные для работы в ключевом режиме.

3.Цифровые интегральные схемы малой и средней степени интеграции. В основе таких микросхем лежит некоторая базовая структура (логический элемент), выполняющая простейшую функциональную операцию над совокупностью входных двоичных сигналов. Простейшие цифровые интегральные микросхемы представляют собой матрицы логических элементов. Более сложные цифровые функциональные элементы реализуют путем введения внутренних связей между логическими элементами.

4.Программируемые интегральные схемы. Это обычно устройства, выполненные как сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), содержащие тысячи и десятки тысяч интегральных элементов. К программируемым относятся интегральные схемы запоминающих устройств, программируемых логических матриц, микропроцессоров и микроЭВМ. Описание работы таких интегральных схем производится на алгоритмическом уровне.

11

1.Общие сведения об импульсных процессах

1.4.Виды импульсов, используемые в импульсной технике

Разносторонние применения обусловили быстрое развитие и внедрение импульсных режимов работы электронных и радиоэлектронных устройств в различные области науки, техники и военного дела. Для генерации импульсов и колебаний сложной формы, для функционального преобразования величины, формы, уровня и временного положения импульсов, для их селекции по тому или иному признаку и для выполнения логических операций над импульсами служат типовые импульсные устройства и логические схемы, используемые хотя и для различных применений (в разных областях техники), но общие в своих основных чертах. Это обстоятельство, а также специфичность методов и средств формирования и преобразования импульсов, методов измерения и анализа импульсных процессов, являющихся переходными процессами, – все это обусловило выделение комплекса вопросов, связанных с импульсным режимом работы устройств, в отдельную область техники – импульсную технику.

Предметом курса «Импульсные устройства» являются:

–изучение принципов построения, свойств, особенностей работы и технических характеристик типовых схем импульсных устройств;

–изучение методов анализа динамических свойств типовых импульсных устройств в процессе коммутации токов и напряжений в них;

–установление закономерностей процессов в импульсных и цифровых устройствах, с учетом влияния дестабилизирующих факторов и помех, для выявления стабильных, помехоустойчивых и экономичных режимов работы устройств и для формулировки требований к устройствам, обеспечивающих их надежную эксплуатацию;

–ознакомление с методикой композиции сложных (многокаскадных) импульсных устройств функционального назначения.

Импульсными называются активные и пассивные электрические цепи, формирующие, преобразующие, хранящие прерывистые (импульсные) электрические сигналы. При этом прерывистая структура сигналов составляет принципиальную основу полезных функций импульсных устройств.

Техническая реализация дискретных, импульсных методов формирования, преобразования, передачи, приема сигналов в радиоэлектронных устройствах основывается на использовании типовых импульсных устройств. Специфичность методов и средств анализа и синтеза импульс-

12

1.4. Виды импульсов, используемые в импульсной технике

ных устройств обусловило выделение их в отдельную область – импульсную технику.

Импульсный режим работы электрических цепей характеризуется тем, что вырабатываемые или воздействующие на них сигналы являются прерывистыми и представляют собой импульсы различной формы. Под формой импульсного сигнала понимается закон изменения во времени напряжения или тока.

В импульсных устройствах наиболее востребованными являются следующие основные виды импульсов [1, 2]:

1)прямоугольный импульс (рис. 2, а);

2)треугольный импульс (рис. 2, б);

3)трапецеидальный импульс (рис. 2, в);

4)экспоненциальный импульс (рис. 2, г);

5)колоколообразный импульс (рис. 2, д).

U(t)

Рис. 2. Виды импульсов

13

1. Общие сведения об импульсных процессах

Приведенные на рис. 2 формы импульсов являются идеальными и могут служить только моделью нулевого приближения к формам реальных импульсов, не являющихся геометрически правильными.

Кроме перечисленных форм импульсов используются их модификации [3]. Несмотря на многообразие форм, можно выделить универсальные параметры, характеризующие импульсный сигнал.

Рассмотрим параметры импульса на примере отклика произвольной электрической цепи на прямоугольный импульс единичной амплитуды и длительностью tи (рис. 3). Участки быстрого нарастания и спада напряжения (тока) называются соответственно фронтом и срезом импульса, а интервал, на котором напряжение (ток) изменяются медленно – вершиной импульса. На рис. 3 приняты следующие обозначения:

tф – длительность фронта, равна времени нарастания напряжения (тока) от уровня 0,1 до 0,9;

tз – время задержки, определяется временем нарастания напряжения (тока) между уровнями 0 и 0,5;

tс – длительность среза, определяется временем убывания напряжения (тока) от уровня 0,9 до 0,1;

tи вых – длительность выходного импульса, равна времени между моментами достижения напряжения уровней 0,5 на переднем и заднем фронтах импульса.

14

1.4. Виды импульсов, используемые в импульсной технике

Эти параметры имеют размерность времени.

Величина характеризуется уменьшением напряжения от максимального уровня установившегося напряжения до напряжения, соответствующего окончанию выходного импульса, и называется спадом вершины импульса. Кроме того, если в схеме есть реактивности, то на вершину импульса может быть наложено затухающее синусоидальное колебание, интенсивность которого характеризуется положительным выбросом в конце переднего фронта δ+. Амплитуда отрицательного выброса в конце спада импульса характеризуется величиной δ–.

Параметры δ+, δ–, оцениваются в процентах к уровню максимального значения напряжения (тока) выходного импульса.

Длительность применяемых на практике импульсных сигналов может изменяться в широком интервале значений: от единиц наносекунд до десятков секунд [1, 3].

Обычно в импульсной технике используются импульсные последовательности [4]. Пример периодической последовательности прямоугольных импульсов длительности tи и с периодом следования Т приведен на рис. 4.

0

Рис. 4. Последовательность прямоугольных импульсов

Наряду с Т и tи импульсные последовательности характеризуются скважностью Q=T/tи.

15

2.1. Методы анализа переходных процессов

В приведенных выше примерах в интервале времени между импульсами, например тока, его величина была равна нулю; но процесс не перестает быть импульсным, если в интервале времени между импульсами величина тока постоянна или сравнительно медленно изменяется. Нередко приходится оперировать с процессами, представляющими собой колебания сложной формы. К ним, в частности, относятся пилообразные колебания,

применяемые, например, в устройствах временной развертки луча электроннолучевых трубок. Колебания сложной формы носят разрывный характер; им свойственны две связанные между собой особенности: вопервых, они содержат характерные точки (точнее, участки малой временной протяженности t << Тп), в которых производная по времени претерпевает резкие изменения (разрывы); во-вторых, такие колебания характери-

Эти свойства сближают колебания сложной формы с типичными импульсными процессами, которые можно рассматривать как колебания сложной формы.

2.1. Методы анализа переходных процессов

Одним из методов анализа переходных процессов является использование аппарата дифференциальных уравнений [5]. Если цепь является цепью 1-го порядка, т.е. в ней присутствует только один реактивный элемент, тогда токи и напряжения в этой цепи при известном внешнем воздействии могут быть описаны дифференциальным уравнением 1-го порядка:

где x(t) – временная зависимость искомого тока или напряжения;

z(t) – временная зависимость входного воздействия (напряжение или ток внешнего источника);

– постоянная времени цепи.

Если действующий в цепи источник z(t) представляет собой скачок напряжения

17

2. Линейные элементы импульсных устройств, методы анализа переходных…

то решение дифференциального уравнения 1-го порядка известно и имеет следующий вид [5]:

Здесь х(0) – начальное значение искомого тока или напряжения; х(∞) – установившееся значение искомого тока или напряжения

при t = ∞;

– постоянная времени цепи.

Для цепи, состоящей из последовательно соединенных резистора R и конденсатора C, постоянная времени = RC. Для цепи, состоящей из последовательно соединенных резистора R и индуктивности L, постоянная времени = L/R [4, 5].

Из решения дифференциального уравнения первого порядка (1) следует, что временные изменения напряжений и токов в электрических цепях первого порядка имеют экспоненциальный характер.

Воспользовавшись этим результатом, определим время, за которое экспоненциально изменяющееся напряжение (ток) изменится между заданными уровнями А1 и А2 (рис. 5).

U(t)

A

A2

A1

t

Рис. 5. Временная зависимость отклика цепи первого порядка на скачок напряжения амплитудой А

Искомым временным интервалом является Δt=t2 – t1, где A1 = x(t1), A2 = x(t2).

Из равенства (1), после его логарифмирования получим [5]:

18

2.1. Методы анализа переходных процессов

Пользуясь полученным соотношением (2), определим время нарастания экспоненциально изменяющегося фронта импульса, который определяется как время между уровнями x(t1) = 0,1 х(∞) и x(t2) = 0,9 х(∞).

tln x − 0,1x ln9 2,2 .

фx − 0,9x

Определим время tп, за которое переходный экспоненциально изменяющийся процесс завершается полностью. Для этого условимся считать моментом завершения переходного процесса момент достижения верхнего уровня 0,95х(∞), а его началом – момент достижения нижнего уровня

0,05 х(∞). Тогда [5]

Переходный процесс в рассматриваемых цепях длится бесконечно долгое время. Однако, как видно из последнего равенства, уже при t = 3 искомый ток или напряжение x(t) отличается от максимального значения х(∞) менее чем на 5 %, и переходный процесс можно считать практически завершенным.

При воздействии на линейную электрическую цепь напряжения (тока) z(t) более сложной, отличной от скачкообразной формы, для анализа напряжений и токов в цепи чаще всего используется метод свертки (интеграла Дюамеля).

При этом для определения отклика цепи x(t) при заданном произвольном воздействии z(t) необходимо знать входное воздействие и переходную характеристику исследуемой цепи h(t).

Переходная характеристика h(t) – это реакция цепи при нулевых начальных условиях на единичный скачок вида (2). Искомая реакция цепи может быть записана в виде [4]

где – временной сдвиг между входным воздействием и производной от переходной характеристики или между переходной характеристикой и производной от входного воздействия.

19

2.Линейные элементы импульсных устройств, методы анализа переходных…

Всоотношениях (5) и (6) можем сделать упрощения. При коммутации в цепи (до подачи исходного сигнала в исследуемую цепь) входное воздействие z(t)=0, а в силу инерционности импульсного сигнала h(0) = 0, и поэтому первые слагаемые в выражениях (5) и (6) можем не учитывать:

Производная по времени переходной характеристики связана с импульсной характеристикой цепи g(t) соотношением

Импульсная характеристика g(t) есть реакция цепи на единичный импульс δ(t) (дельта-функция):

δ(t)dt 1.

−

Учитывая связь между h(t) и g(t), первое равенство из (7) можем записать в виде [4]

или после замены переменной

Соотношения (10) и (11) позволяют определить выходное воздействие (ток или напряжение) в электрической цепи при любой форме входного воздействия.

2.2. Представление импульсов произвольной формы в виде линейной суперпозиции элементарных воздействий

Несмотря на большое разнообразие форм используемых импульсов, их можно получать путем сложения нескольких простых (элементарных) воздействий: линейно изменяющегося, скачкообразного и экспоненциального [6].

20