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

Электроника Ч2

.pdf
Скачиваний:
54
Добавлен:
22.03.2015
Размер:
2.56 Mб
Скачать

 

 

 

111

 

 

 

 

 

U

 

τ и

 

 

 

вх

 

 

1

C

 

2

 

 

 

 

 

Um t

 

 

 

 

 

 

 

 

Uвых

 

U

Uвх

 

R

Uвых

U

 

 

m

t

 

 

 

 

 

 

 

Uвых

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Um

 

t

1'

 

 

 

2'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t = 0

 

 

 

 

а)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

Рис. 25.4. Схема прямой RC - цепи а) и графики напряжений на входе и

 

 

 

 

 

выходе цепи б)

 

 

 

К моменту окончания импульса (когда t = τu) выходное напряжение

уменьшается до Uвыхu), причем,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

(τ

 

) = U

 

exp(−

τ u

) .

(25.10)

 

вых

u

m

 

 

 

 

 

 

 

 

τц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

После окончания импульса напряжение на входе цепи Uвх= 0. Поэтому конденсатор С начинает разряжаться через источник Uвх и резистор R. Ток разряда создает на выходе цепи отрицательный перепад напряжения, причем,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(t τ

u

)

 

 

 

 

U

 

 

 

(t) = −

U exp −

 

 

 

,

 

 

 

 

вых

τ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ u

 

 

U = U

 

U

 

(τ

 

) = U

 

 

 

 

 

 

 

.

(25.11)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 − exp −

 

 

 

 

m

 

 

вых

 

 

u

 

m

 

 

 

 

τ ц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Передаточная цепь должна передавать импульс от входа к выходу це- пи с возможно меньшими искажениями его формы. Искажение формы оце- нивают максимальным относительным снижением вершины выходного им- пульса.

δU = U /U m .

112

Из выражения (25.11) следует, что U тем меньше, чем больше Uвых(τu), а Uвыхи) тем больше, чем меньше отношение τu / τц. Если требуется, чтобы максимальное относительное снижение вершины импульса не пре-

вышало 1%, то постоянная времени цепи τц должна превышать длительность импульса τu не менее чем в 100 раз. Таким образом, чтобы цепь, приведен-

ная на рис. 25.4, а стала передаточной, необходимо выполнить условие

τ

и

<< 1.

(25.12)

τ

ц

 

 

Так как емкость С рассматриваемой цепи не пропускает на выход по- стоянную составляющую источника питания, то за цепью закрепилось еще одно название разделительная цепь.

Дифференцирующая цепь предназначена для деления импульсов или для выделения их фронта и среза. Эта задача обратная ранее рассмотренной.

Она решается тем лучше, чем больше отношение τu / τц. Реально τu / τц (10 ÷ 100). Выходное напряжение представляет два биполярных импульса, сов- падающих во времени с фронтом и срезом входного сигнала (рис. 25.4, б). Амплитуда биполярных импульсов затухает экспоненциально в соответст- вии с (25.9). Длительность этих импульсов оценивается на уровне 0,05 Um

произведением τвых 3 τц. Подбором τц ее можно сделать сколь угодно ма-

лой.

Схема обращенной RC - цепи приведена на рис. 25.5, а. Работа этой цепи иллюстрируется графиками напряжений на рис. 25.5, б. При поступле- нии на вход такой цепи (зажимы 1 - 1') прямоугольного импульса выходной сигнал нарастает по экспоненциальному закону,

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

U

 

(t) = U

 

1 − exp

.

(25.13)

 

 

 

 

вых

 

m

 

 

 

τ ц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

113

τ и

Время, необходимое для нарастания выходного сигнала до уровня

0,9Um, составляет 2,3 τц, а до уровня 0,99 Um – 4,6 τц.

По окончании входного сигнала напряжение на выходе обращенной цепи убывает также по экспоненциальному закону:

 

 

 

 

 

 

 

 

t τ

u

 

 

U

 

(t τ

 

) = U (τ

 

) exp

 

 

,

вых

u

u

 

 

 

 

 

 

 

τ ц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

τ

u

 

 

U (τ

 

) = U

 

1 − exp

 

 

.

 

 

 

 

 

u

 

m

 

 

 

τ ц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На начальном участке выходное напряжение изменяется по закону, близкому к линейному. Этот участок часто используется для линейного накопления напряжения сигнала, поэтому рассматриваемая цепь получила название

интегрирующей. Чтобы цепь работала как интегрирующая, отношение τuц должно быть значительно меньше единицы.

6. ТРИГГЕРЫ

Триггер – это устройство, имеющее два устойчивых состояния, спо-

114

собное под воздействием управляющего сигнала скачком переходить из одного состояния в другое и хранить это состояние сколь угодно долго. Такие свойства позволяют использовать триггеры в качестве элементов памяти, для деления частоты следования управляющего сигнала, для счета импульсов, для формирования прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы, для сравнения напряжений и т. д.

Для построения триггеров могут использоваться туннельные диоды, тиристоры, транзисторы и логические элементы. В лекции рассмотрим триггеры на биполярных транзисторах.

Условные обозначения триггеров на транзисторах приведены на рис. 25.6. Они имеют один или несколько входов и два выхода. Один из выходов называется прямым и обозначается Q . Другой выход называется инверсным и обозначается Q . Когда на прямом выходе устанавливается высокий уро-

вень напряжения (близкий к напряжению источника питания), на инверсном выходе устанавливается низкий уровень(близкий к нулю). Условно высокий уровень напряжения обозначают “1”, а низкий – “0”.

Различаются триггеры способом управления (запуска). Триггер с раздельным запуском (рис.25.6, а) имеет два входа – S и R. Управляющие сигналы (импульсы тока или напряжения) поступают на эти входы от раздельных источников. При поступлении управляющего сигнала на вход S (set – установка единицы) триггер устанавливается в состояние “1”, при котором Q = 1, а Q = 0. При поступлении управляющего сигнала на вход

R триггер устанавливается в состояние “0”, при котором Q = 0, а Q = 1.

Если к моменту поступления управляющего сигнала на вход S, триггер уже находился в состоянии “1”, то его состояние не изменится. При раздельном запуске триггер срабатывает от каждого управляющего сигнала

115

только тогда, когда они поступают на входы S и R поочередно. Сокращенное название триггера – RS – триггер.

Триггер с общим запуском (рис. 25.6, б) имеет один вход – Т. Управляющие сигналы поступают на этот вход, а триггер срабатывает от каждого сигнала, изменяя свое состояние на противоположное. Сокращенное название триггера – Т – триггер.

Триггер с комбинированным запуском (рис. 25.6, в) имеет три входа S, R и Т. Триггер допускает как раздельный, так и общий запуск. Сокращенное название – RSТ – триггер.

Схема триггера с раздельным запуском на биполярных транзисторах p - n – p типа приведена на рис. 25.7. Схема состоит из двух транзисторных ключей. Выход ключа на транзисторе Т1 соединен со входом ключа на транзисторе Т2. Выход ключа на транзисторе Т2 соединен со входом ключа на транзисторе Т1.Так замыкается петля ПОС.

Рассмотрим работу схемы, используя графики токов и напряжений

рис. 25.8.

Q

Q

 

 

Q

Q

Q

Q

 

Q

Q

На временном интервале от 0 до t1 схема находится в исходном со-

стоянии. Предположим, что в исходном состоянии Q = 0, Q = 1. При этом транзистор Т1 открыт и насыщен, напряжение Uкэ1 = Uкн 0. Транзистор Т2

 

 

 

116

 

 

закрыт и Uкэ2 -Ек. Высокий отрицательный потенциал - Uкэ2 через делитель

R1, Rб1 приложен к базе транзистора Т1 и поддерживает его в открытом со-

стоянии. В цепи базы протекает ток Iб1 = Iбн. В базе транзистора накоплен

большой избыточный заряд носителей.

 

 

Iвх

 

 

На базу транзистора Т2 действует

 

 

 

 

 

 

незначительный

отрицательный

по-

 

t2 t3 t4

t

 

 

 

t1

t5

тенциал - Uкэ1

и положительный по-

Iб1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

тенциал Еб. Так как |Еб| > |Uкэ1|, то

 

 

 

транзистор Т2 поддерживается в

за-

Uб1

 

 

крытом состоянии. Таким образом, со-

 

 

 

 

 

t

стояние транзистора Т1 поддерживает

 

 

 

Uк1

 

 

состояние транзистора Т2 и наоборот.

 

 

t

Схема находится в устойчивом со-

 

 

 

стоянии до воздействия управляющего

Uб2

 

 

сигнала.

 

 

Uб0

 

t

 

 

 

 

 

Пусть в момент t1 в базу транзи-

Uк2

 

 

стора Т1 подан управляющий сигнал –

 

 

 

 

 

t

импульс тока Iвх. Если выполняется

Рис. 25.8. Графики токов и напряжений,

условие |Iвх| > |Iб1|, то ток базы Т1 ме-

поясняющие принцип работы триггера

няет знак, но транзистор остается от-

крытым до момента времени t2. На интервале времени t2 – t1 происходит

рассасывание избыточного заряда базы Т1. Если управляющий сигнал дос-

таточно сильный, то интервал рассасывания τр определяется выражением

τ р = (S −1) τ ,

где S = β·Iб / Iкн – коэффициент насыщения транзистора, τ = 1 / 2π·f – время пролета неосновных носителей заряда через базу.

117

С момента t2 начинает убывать коллекторный ток транзистора Т1, а |Uкэ1| увеличивается. Транзистор работает в активном режиме. Отрицательное приращение напряжения - !Uкэ1 через делитель R2, Rб2 передается на базу транзистора Т2. Это приводит к уменьшению напряжения Uб2. В момент времени t3 напряжение Uб2 достигает уровня отпирания транзистора Т2 Uб0. Интервал времени t3 – t2 называется интервалом подготовки к отпиранию tп. Его длительность определяется выражением

п= τ Uб0 .

Iвх Rк

Смомента t3 оба транзистора работают в активном режиме. В схеме возникает лавинообразный (регенеративный) процесс опрокидывания, когда запирается транзистор Т1 и отпирается Т2. Увеличение |- Uкэ1| приводит к росту |- Uб2| и к уменьшению Uкэ2. Это вызывает увеличение напряжения Uб1

иболее глубокое запирание транзистора Т1. Длительность регенеративного процесса tрег имеет порядок τ. Он завершается в момент t4, когда Т1 закрыт, а Т2 открыт. Управляющий сигнал больше не нужен. Будем полагать , что его срез соответствует моменту времени t4. Окончание управляющего сигнала приводит к скачку тока базы Iб1 до Iк0.

После завершения лавинообразного процесса начинается установление нового состояния триггера. Длительность этапа установления определяется скоростью перезаряда конденсаторов С1 и С2. До запуска схемы конденсатор С1 был заряжен до напряжения, близкого к Ек. Теперь он разряжается через резистор R1 и по цепи Rб1, Еб, эмиттер – коллектор Т2. Конденсатор С2 до запуска схемы был разряжен. На этапе установления он заряжается. Ток заряда протекает от + Ек, через корпус, переход эмиттер – база Т2, С2, Rк1, к -Ек. Скорость перезаряда определяется значением постоянной цепей перезаряда. Этап установления завершается в момент времени t5 и обозначается tу.

118

После окончания этапа tу схема готова к приему следующего управляющего сигнала. Сумма

Tмин = τр + tп + tрег + tу

определяет минимальный временной интервал между управляющими сигналами, при котором обеспечивается надежное срабатывание триггера.

Схема триггера, приведенная на рис. 25.9, отличается от рассмотренной ранее типом транзисторов, связями между их базами и коллекторами и числом входов. Это обусловливает существенные отличия в принципе работы триггера.

При замыкании ключа К положительный потенциал источника питания + Ек через резистор Rк1 подается на базу транзистора Т2 и открывает его. Транзистор Т1 закрыт. Если напряжение на входе отсутствует Uвх = 0, то это состояние (назовем его исходным) может сохраняться как угодно долго.

Триггер изменяет свое состояние под воздействием положительного управляющего сигнала на базу транзистора Т1. В новом состоянии транзистор Т1 открыт и насыщен, а транзистор Т2 закрыт. Чтобы вернуть триггер в исходное состояние, нужно выключить и вновь включить источник питания.

119

Схема может быть полезной для управления временем начала (момент включения Ек) и прекращения какого - либо процесса по управляющему сигналу.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

25.1.Приведите примеры применения импульсных сигналов для решения практических задач.

25.2.Перечислите основные параметры импульсных сигналов, приведите известные соотношения для их оценки.

25.3.Докажите, что мощность, потребляемая электронными ключами, пренебре-

жимо мала.

25.4.Рассчитайте элементы R1, R2 и Rк для схемы рис. 25.1, б, если известно, что

Ек = 10 В, ЕСМ = 1,5 В, Uвх = 2, 5 В, β = 40 – 100, Iкэо = 50 мкА, Iкн = 9,5 мА.

25.5.В схеме триггера Шмитта по рис. 25. 3, а определите U0, при котором |Uп1| = |Uп2|.

25.6.На вход прямой RC цепи поступает прямоугольный импульс τи = 10-3 С. Определите значение С, при котором цепь будет передавать импульс с минимальными искажениями, если R = 10 кОм.

25.7.Определите значение С, при котором прямая RC цепь будет дифференцировать импульс, если R = 10 кОм.

25.8.Приведите условные схемные обозначения триггеров. Определите назначение их входов и выходов.

25.9.Определите требования к амплитуде и длительности управляющего сигнала триггера по схеме рис. 25.7.

25.10.Триггер по схеме рис. 25.9 имеет один вход. Почему его относят к классу RS триггеров?

120

ЛЕКЦИЯ 26. ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСНЫХ

СИГНАЛОВ

1. МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Мультивибратором называется генератор периодически повто-

ряющихся прямоугольных импульсов. Мультивибраторы могут работать

в ждущем режиме, в режиме автоколебаний или в режиме синхронизации.

Вждущем режиме мультивибратор генерирует только один прямоугольный импульс заданной длительности при воздействии на вход управляющего сигнала. В автоколебательном режиме мультивибратор генерирует импульсы, амплитуда, частота и длительность которых определяются только параметрами схемы. В режиме синхронизации осуществляется принудительная генерация импульсов с частотой внешнего источника.

Схема мультивибратора может быть построена на транзисторах, ОУ или на логических элементах. Рассмотрим схему мультивибратора на ОУ,

работающего в автоколебательном режиме (рис.26.1, а). Графики напряжений, поясняющие работу схемы, приведены на рис. 26.1, б.

Всхеме рис. 26.1, а ОУ и цепь R3 R4 образуют компаратор с ПОС. При переключениях компаратора на его выходе формируются напряжения Uвых.m (оно открывает диод D1) или -Uвых.m (оно открывает диод

D2).

Конденсатор С и резисторы R1, R2 образуют две интегрирующие цепи. Цепь заряда конденсатора R1C включена, когда открыт диод D1. Цепь разряда конденсатора R2C включена, когда открыт диод D2. Источником напря-