Лекции

теоретически при K· χ =1 должен бы наблюдаться неограниченный рост амплитуды колебаний, т.е. Kuoc . Однако это на практике не происходит. Рост амплитуды колебаний из-за нелинейности характеристик транзисторов приводит к уменьшению К, и Кuос стабилизируется на некотором уровне, это и есть условие баланса амплитуд.

В общем случае генераторы синусоидальных колебаний, как и избирательные усилители, выполняют с колебательными LC-кон- турами и частотно-зависимыми RC-цепями (первые на высоких частотах, вторые на низких). При использовании LC-колеба- тельных контуров схемы генераторов достаточно разнообразны. Наиболее широко известны такие, в которых сигнал обратной связи снимается непосредственно с колебательного контура, что достигается секционированием индуктивной или емкостной ветви колебательного контура. Колебательный контур при этом имеет три точки соединения с усилителем, в связи с чем такие генераторы называют «трехточечными», причем различают «индуктивную трехточку» и «емкостную трехточку».

На частотах ниже нескольких десятков килогерц становится нерациональным использовать LC-генераторы, поэтому переходят к применению RC-генераторов, структурные схемы которых аналогичны предыдущим. На рисунке 3.23 приведена схема RC-цепи, позволяющей изменять фазу передаваемого сигнала от 0 до +3 /2 и коэффициент передачи χ от 0 до 1.

Рис. 3.23

учетом частотных характеристик моста Вина (см. рис. 3.21) его необходимо включить между выходом и неинвертирующим входом ОУ (т.к. мост на частоте fo не дает фазового сдвига м = 0). Схема генератора показана на рисунке 3.25.

Рис. 3.25

На частоте f0 коэффициент передачи моста Вина χ = 1/3, коэффициент усиления усилителя по неинвертирующему входу с учетом ООС Кu" = 1+Rос/Rо = 3 при Rос/Rо= 2. Коэффициент передачи генератора тогда запишется как

KГЕН K"u/(1–K"u·χ).

Частота генерации находится по выражению

при R1=R2=R; C1=C2=C.

4. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

4.1.ОСОБЕННОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА ПЕРЕДАЧИ

ИНФОРМАЦИИ В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ

В современной электронике наряду с устройствами непрерывного действия широко применяются так называемые импульсные устройства, принципиальным отличием которых является то, что сигналы, действующие в них, являются дискретными (прерывистыми), а не непрерывными функциями времени. Появление импульсных устройств было обусловлено целым рядом объективных причин: многие производственные процессы имеют периодический характер; технологические процессы часто разбивают на отдельные такты (операции); по одному каналу связи необходимо передавать различную информацию; при создании цифровой вычислительной техники возникла необходимость в создании большого числа устройств, использующих импульсный принцип действия, и т.д. Однако, помимо чисто производственных причин, в широком развитии импульсной техники сыграли существенную роль ряд особенностей, свойственных импульсному режиму работы, а именно:

1)при относительно малой средней мощности может достигаться весьма большая мощность сигнала в импульсе;

2)импульсные устройства на фоне непрерывных обладают обычно большим КПД (за счет отсутствия потребления энергии между импульсами);

3)на работе импульсных устройств меньше сказывается разброс параметров применяемых приборов (т.к. работают они (транзисторы) в ключевом режиме), по той же причине выше помехозащищенность, точность и надежность электронных устройств;

4)в каналах связи, использующих импульсный метод, выше пропускная способность в отношении количества информации и выше скорость передачи информации;

Особенности и преимущества передачи информации в импульсном режиме 185

5) при реализации импульсных устройств используется, как правило, ограниченный набор однотипных элементов, что в общем случае упрощает устройство в целом.

4.2.ВИДЫ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

Вимпульсной технике применяются импульсы самой различной формы: прямоугольной, пилообразной, экспоненциальной и др. (рис. 4.1).

Рис. 4.1

Импульсный сигнал характеризуется рядом параметров. Остановимся на основных из них применительно к наиболее часто используемым прямоугольным импульсам: Uм – амплитуда импульса; tи – длительность импульса; tп – длительность паузы между импульсами; T=tи+tп – период повторения; f=1/T – частота следования; Qи=T/tи – скважность. Реально импульсы характеризуются еще длительностью фронта – tф и спада (среза) tс. Чаще всего tф и tс определяются как время нарастания или спада импульса от 0,1 до 0,9 Uм. Обычно tф<<tи>>tс. В случае необходимости для прямоугольных импульсов вводят понятие спада вершины импульса U и его относительную величину U/Uм. Коэффициент заполнения

=tи/T=1/Qи.

Цифровые методы обработки и преобразования информации базируются на использовании сигнала прямоугольной формы, имеющего два дискретных уровня напряжения: высокий, которому присваивается символ «1», и низкий с соответствующим ему сим-

2. Режим насыщения (ключ замкнут) характеризуется минимальным падением напряжения на транзисторе Uк=Uкэн 0 (на диаграмме это точка В), а ток ограничен практически только Rк, т.е.

Iк,н (Eк Uкэн) Eк . При малых значениях Uк=Uкэн<Uбэ коллек-

Rк Rк

торный переход оказывается прямосмещенным, как и эмиттерный, поэтому напряжения между электродами транзистора весьма малы

(реально Uкэн=0,05 1,0 В).

Рис. 4.2

На практике в режиме насыщения можно считать все электроды между собой закороченными, при этом говорят, что транзистор «стянут в точку». Режим насыщения достигается при

IБ>IБН не изменяет тока в коллекторной цепи. Тем не менее для надежности на практике берут Iб>Iбн, и это превышение характеризуется «коэффициентом насыщения» транзистора S=Iб/Iбн 1 (обычно S=1,5 3). Мощность, теряемая на транзисторе в режиме насыщения, минимальна, т.к. мало Uк=Uкн<<Eк. Открытое состояние транзистора в режиме насыщения более устойчиво к воздействиям помех по входной цепи и изменению коэффициента передачи тока, в частности, в зависимости от температуры.

Процессы в ключевой схеме при управлении прямоугольными импульсами проиллюстрированы на рисунке 4.3.

На интервале tо t1 транзистор заперт напряжением Uвх зап отрицательной полярности. Токи Iб и Iк равны Iко. Напряжение на

Время от момента t1 до момента достижения Iк значения Ек/Rк называется длительностью фронта коллекторного импульса. Можно показать, что с ростом коэффициента насыщения длительность фронта импульса сокращается. В течение длительности фронта tф напряжение на коллекторе транзистора изменяется по

закону Uк(t) = Ек – Iк(t) Rк.

В момент t2 действие отпирающего импульса заканчивается, к базе транзистора прикладывается запирающее напряжение UВХзап. Ток же коллектора Iк и напряжение Uк с момента t2 в течение отрезка времени tр, называемого «временем рассасывания», остается постоянным. Это происходит в связи с тем, что в предыдущем режиме насыщения в базе накопились избыточные носители заряда (электроны), которые и поддерживают ток коллектора постоянным при своем уходе из базы в коллектор. Только после рассасывания избыточных носителей и перехода транзистора в активный режим (на пологие участки выходных характеристик) ток коллектора начинает уменьшаться, а напряжение на коллекторе – возрастать. Время рассасывания tр тем больше, чем больше коэффициент насыщения S. Далее идет отрезок времени tс, в течение которого коллекторный ток достигает значения Iко, а Uк – значения (Ек – Iко Rк). Время tс называется «временем среза», или временем заднего фронта коллекторного тока, и определяется Ск. Длительности tф, tр, tс характеризуют быстродействие ключа (это доли и единицы микросекунд).

Кремниевые транзисторы n-p-n, чаще используемые в ИМС, имеют весьма малый Iко (Iко создает падение напряжения на RБ, которое приоткрывает транзистор), поэтому можно считать, что эти транзисторы запираются при UВХзап = 0. Это позволяет исключить дополнительные источники запирающего напряжения, которые являются необходимыми для германиевых транзисторов.

4.5.КОМПАРАТОРЫ (СХЕМЫ СРАВНЕНИЯ)

Компараторами в общем случае называются устройства, осуществляющие сравнение измеряемого входного напряжения Uвх с некоторым опорным напряжением Uоп. Компараторы называют еще нуль-