Электроника Ч2

101

Рис. 24.6. Схема на основе моста Вина а) и на основе лестничной RC - цепи б)

При реализации схем необходимо учитывать низкое значение коэф- фициента передачи RC звеньев – 1/3 для моста Вина и 1/29 для лестничной схемы. Это эквивалентно низкочастотной избирательности. А так как ОУ в схеме рис. 24.6, а и транзистор в схеме рис. 24.6, б после возбуждения пере- ходят в нелинейный режим, то колебания на выходе RC генератора по фор- ме будут существенно отличаться от гармонических.

Чтобы исключить искажения формы колебаний, активные элементы RC генераторов должны работать в линейном режиме. Поэтому обязатель- ным элементом схемы становится цепь ООС с нелинейным сопротивлени- ем.

Процесс самовозбуждения и ограничения амплитуды колебаний в схеме рис. 24.6, б происходит следующим образом. С помощью R1, R2 и Rэ рабочая точка транзистора выбирается на середине линейного участка про- ходной характеристики. При включении питания возникают броски тока, как и в любой схеме. Бросок тока порождает бесконечный спектр гармо- ник.

102

Условия баланса фаз выполняются только на частоте ω0 = 6 / RC.

Амплитуда колебаний на этой частоте начинает увеличиваться. Но по мере увеличения амплитуды сопротивление Rэ в цепи ООС по току также увели- чивается, уменьшая коэффициент усиления каскада. Процесс увеличения амплитуды замедляется.

Амплитуда примет постоянное значение, когда из-за роста Rэ выпол- няется баланс амплитуд. Значение Rэ выбирают так, чтобы баланс амплитуд выполнялся в пределах линейного участка проходной характеристики.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

24.1.Перечислите признаки классификации генераторов электрических сигналов.

24.2.Приведите деление генераторов по частоте.

24.3.Как делятся генераторы по типу частотно - избирательных цепей?

24.4.В чем заключаются отличия структурных схем генератора и избирательного

усилителя?

24.5.Какую роль в схеме генератора выполняет цепь ООС?

24.6.В чем состоит отличие генератора гармонических колебаний от генератора негармонических колебаний?

24.7.Назовите основной признак трехточечных схем генераторов гармонических

колебаний.

24.8.Чем отличаются схемы емкостной и индуктивной трехточки?

24.9.Обоснуйте необходимость применения RC генераторов.

24.10.В чем заключается недостаток RC генераторов и как он может быть устра-

нен?

103

ЛЕКЦИЯ 25. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛАХ

Кроме напряжения синусоидальной формы в практике электротехники и электроники применяются напряжения других форм. Наиболее широко применяется импульсное напряжение. Импульсным называется прерыви-

стое во времени напряжение (сигнал) любой формы. Под формой сигнала понимается закон изменения во времени напряжения или тока.

Широкое применение импульсных сигналов обусловлено рядом при- чин. Сочетанием импульсов и пауз легко передавать дискретную информа- цию. Импульсный сигнал оказался единственно приемлемой формой при создании радиолокации, он необходим для работы систем синхронизации, удобен для управления многими производственными процессами.

Импульсы применяются и для передачи непрерывной информации. В этом случае передаваемая информация может содержаться в значениях ам- плитуды, длительности или временного положения импульсов. Наличие па- уз между импульсами позволяет уменьшить мощность, потребляемую от ис- точника питания. Кроме того, во время паузы можно передавать информа- цию от других корреспондентов.

Наиболее широко применяются импульсы прямоугольной, пилообраз- ной экспоненциальной и колокольной формы (рис. 25.1, а). Импульсы ха- рактеризуются

–амплитудой Um,

–длительностью τи,

–длительностью паузы τп,

–периодом повторения Т = τи + τn,

105

находиться в одном из двух состояний – в состоянии отсечки или в состоя- нии насыщения.

В состоянии отсечки ключ разомкнут. Через транзистор протекает только малый обратный ток Iкэ0. Напряжение на участке коллектор-эмиттер

Uк ≈ Ек . Мощность, теряемая в транзисторе в режиме отсечки определяет- ся произведением Ротс = Iкэ0·Uк и мала, так как пренебрежимо мал ток Iкэ0.

Чтобы транзисторный ключ находился в разомкнутом состоянии, не-

обходимо подать на базу отрицательное напряжение смещения, т.е. Uб < 0 .

Для этого часто применяют дополнительный источник смещения – Есм и ре- зистор R2 (эти элементы показаны на рис. пунктиром). При таком включе- нии напряжение смещения создается двумя источниками Есм и источником тока Iкэ0, т.е.

Полагая Uб < 0, получаем:

I кэо − Есм < 0 ,

R2

откуда

Когда транзистор находится в состоянии насыщения, электронный ключ замкнут. Через транзистор протекает ток насыщения, значение которо- го ограничивается резистором Rк. Пренебрегая малым напряжением насы- щения, можем записать:

Режим насыщения достигается при токе базы:

106

Как и в режиме отсечки, мощность, теряемая в транзисторе в режиме насыщения, мала, потому что мало напряжение насыщения Uн.

Ток базы в режиме насыщения создается источниками напряжения UВХ и ЕСМ. При этом участок база - эмиттер транзистора можно считать за- короченным. Поэтому

Iб = U ВХ − ECM .

R1 R2

Условие насыщения (13.4) принимает вид

Выражения(25.2), (25.3) и (25.5) позволяют выполнить расчет элек- тронного ключа.

В настоящее время электронные ключи выпускаются в микросхемном исполнении. Например, микросхема К564КТ3 содержит четыре двунаправ- ленных ключа, предназначеных для коммутации аналоговых и цифровых сигналов с током до 10 мА.

3. КОМПАРАТОРЫ

Компаратор – это устройство сравнения двух напряжений. Такие

возможности приобретают ОУ в нелинейном режиме работы. Для анализа процесса сравнения обратимся еще раз к передаточной характеристике ОУ (рис. 25.2, а). Мы знаем, что ОУ работает в линейном режиме, если разность

107

ходных каскадов ОУ работают в ключевом режиме. Значение Um.ВЫХ лишь немного меньше Э.Д.С. источника питания En, поэтому на передаточной ха-

рактеристике выделяют область положительного (UВЫХ = Um.ВЫХ ) и отрица-

тельного (U ВЫХ = −Um.ВЫХ ) насыщения.

Для реальных ОУ значение FUгр не более нескольких мВ. При доста- точно больших входных сигналах им можно пренебречь, полагая !Uгр≈0.

Тогда при U ВХ1 − U ВХ 2 > 0 выходное напряжение U ВЫХ = Um.ВЫХ . Наоборот,

при U ВХ1 − U ВХ 2 < 0 выходное напряжение. Другими словами можно ска-

зать, что выходное напряжение ОУ в нелинейном режиме зависит от того, какое из входных напряжений больше. Значит, ОУ в нелинейном режиме

является схемой сравнения (компаратором).

Возможности применения ОУ как компаратора иллюстрируются гра- фиками рис. 25.2, б.

− Uгр

Uгр

Как следует из графиков, на прямой вход ОУ подано синусоидаль- ное напряжение uвх1(t), а на инвертирующий вход – постоянное положи- тельное напряжение Uвх2. Компаратор переключается в момент равенства u.вх1(t) = Uвх2. Выходное напряжение имеет прямоугольную форму. Значит,

108

компаратор можно применять для преобразования синусоидального на- пряжения в напряжение прямоугольной формы, т. е. в импульсное напря- жение.

По графикам легко увидеть, что длительность прямоугольных им- пульсов зависит от величины Uвх2. Изменяя величину Uвх2 от –Um.вх1 до Um.вх1, можно изменять длительность импульсов от 0 до Т, где Т – длительность пе- риода uвх1(t). Значит, компаратор можно применять в качестве преобразова- теля амплитуда – длительность.

Широкое практическое применение находит схема компаратора с по- ложительной обратной связью (ПОС). Она приведена на рис. 25.3, а. Другое название схемы – триггер Шмитта. Входной сигнал поступает на инверти- рующий вход, а напряжение обратной связи – на прямой.

На рис. 25.3, б приведена передаточная характеристика компарато- ра. При большом отрицательном напряжении на инвертирующем входе ОУ Uвх << 0, напряжение на выходе максимальное положительное –Uвых =

Uвых. m.

Рис. 25.3. Схема а) и передаточная характеристика б) триггера Шмитта

Напряжение на прямом входе ОУ Uпр формируется двумя источника-

ми – U0 и Um.ВЫХ . Определим его методом суперпозиции, учитывая, что для

109

обоих напряжений цепочка R1, R2 выполняет роль делителя:

Предположим, что напряжение на входе увеличивается. Компаратор будет находиться в режиме положительного насыщения Uвых = Um.вых до тех пор, пока UВХ < Uпр. Значение Uпр выполняет роль порога срабатывания, по- этому его называют пороговым и обозначают UП1.

Когда входное напряжение UВХ приближается по величине к напряже-

нию UП1 настолько, что U П1 − U ВХ < U гр , ОУ переходит в линейный ре-

жим. Напряжение на выходе уменьшается, т. е. получает отрицательное приращение -!Uвых. Через делитель R1, R2 приращение поступает на прямой вход ОУ, уменьшая значение Uпр на величину:

ОУ усилит это приращение, в результате чего напряжение на его вы- ходе уменьшится еще больше, т. е. возникнет отрицательное приращение

> U ВЫХ . Последнее, в свою очередь, еще больше уменьшит Uпр.

Процесс развивается лавинообразно и завершается переходом ОУ в область

отрицательного насыщения, когда U ВЫХ = −U ВЫХ m . Таким образом, ПОС ус-

коряет процесс переключения компаратора. Такое ускоренное переключе- ние получило название регенеративного процесса.

Так как UВЫХ после переключения изменило свой знак, то изменилось

Новое переключение компаратора произойдет только тогда, когда Uвх ≈ UП2. Передаточная характеристика компаратора имеет вид петли гистере-

110

зиса. Ширина петли гистерезиса определяется отношением R2 / R1, а ее по- ложение на оси абсцисс (оси Uвх) величиной U0.

4. ФОРМИРУЮЩИЕ ЦЕПИ

При генерации импульсных сигналов различной формы необходимо формирование интервалов времени, задающих длительность импульсов и пауз, частоту повторения импульсов и т.п. Эта задача решается с помощью формирующих цепей, содержащих реактивные элементы. Наиболее про- стыми и надежными являются RC-цепи. Они разделяются на прямые и об- ращенные. Прямые RС-цепи применяются в качестве передаточных и диф-

ференцирующих, а обращенные – в качестве интегрирующих цепей.

Схема прямой RC-цепи приведена на рис. 25.4, а. Рассмотрим работу цепи по графикам напряжений на ее входе и выходе (рис 25.4, б). При анали- зе процесса формирования напряжения на выходе RC-цепи будем полагать, что внутреннее сопротивление источника входного напряжения равно нулю, а сопротивление нагрузки – бесконечно большое.

Пусть в момент t=0 на вход цепи (зажимы 1 -1') поступает прямо-

угольный импульс амплитудой Um и длительностью τu. В начальный момент времени конденсатор С разряжен и ток в RC-цепи определяется только ам- плитудой импульса Um и сопротивлением R. Поэтому на зажимах 2 - 2' соз-

дается напряжение, равное максимальному = Um . По мере заряда конденсатора С ток в цепи, а значит, и напряжение на выходе будут экспо- ненциально убывать:

где τц = R C [С] – постоянная цепи.