Глава 10 импульсные генераторы

Широкое применение импульсных генераторов в дискрет­ной и аналоговой технике привело к разработке большого числа схем, выполняющих разнообразные-функции. В зависимости от на­значения устройства к генераторам предъявляются самые разнооб­разные требования. Наиболее важным является требование стабиль­ности частоты формируемого сигнала. Относительная нестабильность частоты в пределах 10^-4— 10^-6может быть получена только в-квар-цевых генераторах. Нестабильность частоты в пределах 10~²— 10~³ достигается в генераторах наLC-контурах. Генераторы с неста­бильностью частоты 10^-1— 10^-2строятся на RС-элементах.

В устройствах, где требования по стабильности частоты не иг­рают первостепенной роли, применяют генераторы с параметриче­ской стабилизацией. Эти генераторы з-начительно проще в изготов­лении, чем кварцевые. Параметрическая стабилизация частоты в импульсных генераторах сводится к стабилизации момента переклю­чения пороговой схемы, на вход которой поступает сигнал с инте­грирующей цепочки Здесь можно идти двумя путями. При экспо­ненциальном законе изменения напряжения на интегрирующем кон­денсаторе необходимо уменьшить интервал открывания пороговой схемы и стабилизировать пороговый уровень. Для этих целей при­меняют ОУ с чувствительностью менее 1 мВ. Кроме этого способа стабилизации частоты генератора, можно применить способ, осно­ванный на другдм законе изменения напряжения на интегрирующей емкости. Например, применение параболического закона изменения напряжения увеличивает точность открывания пороговой схемы. К этому варианту следует отнести применение мостовых цепей, со­стоящих из двух интегрирующих элементов. Выходные сигналы мо­ста подаются на двухвходовое пороговое устройство. В первой интегрирующей цепочке выходной сигнал возрастает, а во второй — падает. В тот момент, когда сигналы на вйходах цепочек сравняют­ся, срабатывает поррговое устройство и происходит разряд конден­саторов.

Наряду со стабилизацией частоты выходного сигнала к генера­торам предъявляются требования минимального потребления энер­гии. Среди импульсных схем с минимальной мощностью потребления особое место занимают схемы с дополнительной симметрией, постро­енные на комбинации транзисторов обоих типов проводимости. Основной особенностью этих схем является то, что в одном из со­стояний все транзисторы закрыты и потребление энергии практиче­ски отсутствует. Энергия расходуется в момент формирования импульсного сигнала.

При большом разнообразии генераторов существует значитель­ное количество методик расчета параметров схемы. Применяются разные подходы к температурной стабилизации частоты.

Способ включения ОУ, которые приведены в схемах, можно найти в гл. 1.

1. Генераторы на транзисторах

Генератор с независимой регулировкой периода и длитель­ности импульса.Длительность импульсов и интервал между ними в генераторе (рис. 10.1) могут устанавливаться независимо друг от друга в широком диапазоне. Эти параметры генератора определя­ются разрядом двух конденсаторов, При разряде конденсатора С1 транзисторVT1 закрыт,a VT2 открыт. Когда же разряжается конденсаторС2, то транзисторVT1 открыт,a VT2 закрыт. При открытом транзистореVT1 конденсатор С1 заряжается Поскольку транзисторVT1 насыщен, то конденсатор С1 заряжается большим базовым током.

Рис. 10.1

Длительность импульса определяется постоянной времени Ti=RiCi, а интервал между импульсами — постоянной времени т₂= С₂R4. Для номиналов элементов, указанных на схеме скваж­ность равна 500. При С1=100 мкФ,R1= 150 кОм и С2=б,47 мкФ длительность импульса равна 50 мс, а интервал — 10 с. Эпюры напряжений в точках схемы проиллюстрированы на рисунке.

Рис. 10.2

Генератор инфранизких частот.При включении питания (рис. 10.2) транзисторVT2 находится в открытом состояния. На его эмиттере существует напряжение, равное напряжению источника питания. Положительный перепад напряжения проходит через кон­денсаторС на затвор полевого транзистораVT3. Полевой транзл-стор закрыт. Начинается процесс заряда конденсатора через рези­сторR3. Через некоторое время напряжение на конденсаторе станет таким, что полевой транзистор начнет открываться. Это вызовет открывание транзистораУТ1, который, в свою очередь, закроет транзисторVT2. КонденсаторС начнет разряжаться через резисторR4 и открытыеn-р переходы транзистораVTJ и полевого тран­зистора.

Время заряда емкости определяется выражением t₃=0,7CR_S, а время разрядаt_р=0,7CRz. Эпюры напряжений в точках схемы показаны на рис. 10.2.

Для получения максимально возможного значения t, необходи­мо сопротивление резистораR3 выбирать большим. Поскольку ток затвора полевого транзистора меньше 10~⁸А, тоR3 может прини­мать значения десятков мегаом. Элементы с номиналами, указан­ными на схеме, позволяют получить период следования импульсов 1,4 с. Температурный дрейф составляет 0,6%/град.

Мостовой генератор.Генератор (рис. 10.3, с) имеет два выхода, где формируются сигналы различной полярности. В коллекторе транзистораVT1 формируется импульс отрицательной полярности, а в коллекторе транзистораVT2 — положительной. После вклю­чения питания оба транзистора находятся в закрытом со­стоянии. Начинается процесс заряда конденсаторов. КонденсаторС1 заряжается через резисторR1, а конденсаторС2 — через рези­сторR4. На базе транзистораVT1 увеличивается положительный потенциал. В то же время положительный потенциал базы транзи­стораVT2 уменьшается. Через времяT₁ = 0,7C₁R₁ потенциалы на базах транзисторов сравняются. С этого момента оба транзистора начинают проводить. С открыванием транзистораVT1 конденсаторС2 начнет разряжаться через базовую цепь транзистораVT2 В это же время конденсатор С1 будет разряжаться через базовую цепь транзистораVT1. Оба транзистора окажутся в режиме насы­щения. Напряжение на коллекторе транзистораVT1 изменится с 15 до 7,5 В, а на коллекторе транзистораVT2 — от 0 до 7,5 В В этом состоянии транзисторы будут находиться до тех пор, пока базовые токи способны обеспечить коллекторный ток 5 мА. По достижении этого граничного условия оба транзистора перейдут в активную область. Изменение напряжения в коллекторах транзисторов приве­дет к дальнейшему уменьшению коллекторного тока и в конечном счете к полному закрыванию. Начнется новый цикл работы генера­тора. Время разряда конденсаторов определяется длительностью импульса 2 мкс. Период следования импульсов равен 70 мкс На рис. 10.3,6 приведены эпюры напряжений в точках схемы.

Рис. 10.3 Рис. 10.4

Рис. 10.5

Последовательная схема генератора.При включении питания схемы (рис. 10.4) транзисторVT1 будет открыт напряжением дели­теляR1 иR2. Следом откроется транзисторVT2. Напряжение на его коллекторе равно напряжению питания. Начинается процесс за­ряда конденсатора. Основной цепью заряда будет резисторR4. Напряжение на конденсаторе увеличивается до 6 В. После этого следует закрывание транзистораVT1, а затем и транзистораVT2. Плюсовое напряжение на конденсаторе будет уменьшаться через резисторR6. Наступит момент, когда напряжение на конденсаторе сравняется с напряжением в базе транзистораVT1. С этого момен­та транзисторыVT1 иVT2 открываются. Начинается новый цикл работы генератора Длительность импульса определяется постоян­ной времениRiCi, а интервал между импульсами - постоянной вре­мениR₈Ci. При указанных на схеме номиналах импульсы выход­ного сигнала имеют период следования 2 кГц.

Высокочастотный генератор. Преобразователь постоянного на­пряжения в частоту (рис. 10.5, а) построен на одном транзисторе, который работает в лавинном режиме. В этом режиме транзистор имеетS-образную вольт-амперную характеристику. Входное напря­жение может меняться до 10 В с девиацией частоты выходного сиг­нала 40 — 50% от максимальной частоты 35 МГц. Крутизна преоб­разования 10 МГц/В.

В исходном состоянии, когда управляющее напряжение равно нулю, конденсатор разряжается через резистор R4. Как только напряжение на конденсаторе спадет до уровня включения транзисто­ра, конденсатор через открытый транзистор быстро заряжается. Затем процесс повторяется. Напряжение на конденсаторе имеет пи­лообразную форму. На выходе генератора формируются импульсы с амплитудой 5 В, длительностью десятки наносекунд и временем нарастания до 4 не. Пропорциональность изменения частоты выход­ного сигнала от управляющего напряжения достигается подбором сопротивления резистораR2. ДляR2=Q,5 кОм нелинейность состав­ляет 0,8%, а дляR2 = 2 кОм — 0,4%.

Применяемые в схеме транзисторы типа ГТ313А имеют малое напряжение пробоя эмиттерного перехода. Чтобы не произошло от­крывания эмиттерного перехода напряжением на конденсаторе, в цепь включен диод VD1. Для устранения пробоя эмиттерного пере­хода можно применить следящую ОС, осуществляемую при помощи транзистораVT2 (рис. 105,6). Кроме того, этот транзистор позво­ляет повысить нагрузочную способность схемы, если сигнал снимать с эмиттера, и обеспечивает более высокую стабильность частоты.

Рис. 10.6 Рис. 10.7

Формирователь сигнала с большой скважностью. После вклю­чения питания (рис. 10.6) конденсатор заряжается через резисторы R1 иR3. ТранзисторVT2 закрыт напряжением с делителяR2 иR5. В закрытом состоянии находится также транзисторVT1. По мере заряда конденсатора напряжение в эмиттере увеличивается. Через некоторое время напряжение на конденсаторе превысит напряже­ние на базе. ТранзисторVT2 откроется. Коллекторный ток этого транзистора откроет транзисторVT1. Конденсатор начнет разря­жаться через транзисторVT2, резисторR4 и переход база — эмит­тер транзистораVT1. Напряжение на конденсаторе падает практи­чески до нуля. Наступает момент, когда транзистор⁴VT2 выходит из насыщения. Начинает закрываться транзисторVT1. Коллектор­ное напряжение его через делитель напряженияR2 иR5 еще больше закрывает транзисторVT2. Возникает лавинообразный процесс, и оба транзистора закрываются. Конденсатор вновь начинает заря-жаться.

Для указанных в схеме номиналов элементов период следования выходных импульсов равен приблизительно 2 с, а длительность им­пульса 2 мкс.

Низкочастотный генератор.Генератор (рис. 10.7) позволяет по­лучить на выходе сигналы с частотой повторения от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. Это достигается непосредствен­ной связью между транзисторами разной проводимости. При вклю­чении питания транзисторVT2 открывается и его коллекторный ток открывает транзисторVT1. В цепи коллектора транзистораVT1 устанавливается напряжение, равное напряжению питания. Поло­жительный перепад напряжения пройдет в базу транзистораVT1 и еще больше откроет его. Конденсатор С будет заряжаться через базовую цепь транзистораVT1. Время заряда конденсатора опре­деляет длительность выходного импульса т_и= ЯбС. ПриR& равном нулю, следует учитывать входное сопротивление транзистораVT1, равное 100 — 200 Ом. После того как конденсатор зарядится, тран­зисторVT2 начинает выходить из насыщения. В этой связи умень­шится и ток коллектора транзистораVT1. Конденсатор начинает разряжаться. Цепь разряда состоит из резисторовR1 иR2. В базе транзистораVT2 формируется отрицательный импульс, который закроет его. Время разряда конденсатора определяет период следо­вания импульсовT = R1C. Для номиналов элементов, указанных на схеме, длительность импульса равна 5 мс, период следования им­пульсов 1 с.

Рис. 10.8

Генератор сигнала с управляемым периодом.Генератор (рис. 108, а) собран на двух транзисторах разного типа проводи­мости. При включении питания оба транзистора находятся в закры­том состоянии. КонденсаторС1 заряжается через резисторыR2 иR3. Напряжение в эмиттереVT1 будет уменьшаться во времени. Как только оно сравняется с управляющим напряжением, транзисторVT1 откроется. В открытое состояние переходит и транзисторVT2 Про­исходит разряд конденсатора через оба транзистора. Открытое со­стояние транзисторов определяет длительность импульса, равную 1 мкс. После разряда конденсатора начинается новый цикл работы генератора. Зависимость периода следования импульсов от управ­ляющего напряжения пбказана на рис. 108,6

Мостовая управляемая схема генератора. Генератор (рис. 10 9, а) построен на составных транзисторах. Частота импульсов выходного сигнала меняется с помощью напряжения на базе транзистораVT1. С увеличением управляющего напряжения амплитуда импуль­сов уменьшается U_Вых=10 В —U_ynp. Длительность импульса (2 мкс) остается без изменения. Период следования импульсов оп­ределяется цепочкойС2, R3 и напряжением в базе транзистораVT1. При включении питания конденсаторС2 заряжается через рези­сторR3. В первый момент напряжение на базе транзистораVT2 будет практически равно 10 В. По мере заряда конденсатора это напряжение уменьшается. Когда оно сравняется с напряжением на базе транзистораVT1, произойдет открывание обоих транзисторов.

Рис. 10.9

Рис. 10.10

Конденсатор начнет разряжаться через открытые транзисторы. Пос­ле разряда конденсатора наступит новый цикл работы. Генератор работает в широком диапазоне частот. С увеличением емкости кон­денсатора частота импульсов уменьшается, а длительность увели­чивается незначительно. Зависимость периода повторения от управ­ляющего напряжения показана на рис. 10.9,6.

Генератор с динамической ОС.Выходной сигнал генератора (рис. 10.10) формируется в тот момент, когда оба транзистора от­крываются. Положительный перепад напряжения в коллекторе тран­зистораVT2 передается на базу транзистораVTL Коллекторный Ток этого транзистора еще больше открывает транзисторVT2. В от­крытом состоянии транзисторы находятся до тех пор, пока конден­сатор разряжается через параллельно соединенные резисторыR4 иR5. При закрывании транзистораVT2 отрицательный перепад на­пряжения на коллекторе закрывает транзисторVTL Конденсатор заряжается через резисторR5. На выходе формируется сигнал, у которого длительность импульса в два раза короче интервала между импульсами. Длительность интервала определяется т«ЗС|R₅.

Мостовая схема с пороговым транзистором.Генератор (рис. 10.11, а) собран на мостовом времязадающем элементе, со­стоящем из цепочекR2, С2 иJR3, С1. В диагональ моста включен транзисторVTL При включении питанияв т. 3 будет положитель­ный перепад напряжения, который откроет транзисторVT2. По мере заряда конденсатора С1 напряжение вт. 3 уменьшается. Постепен­но нарастает напряжение вт. L Когда напряжение вт. 1 будет больше напряжения вт. 3, транзисторVT2 включится в нормаль­ный режим Увеличение напряжения вт. 2 заставит транзисторVT2 открыться. До этого момента на эмиттере транзистора было большое положительное напряжение. С открыванием транзистораVT2 перей­дет в проводящее состояние и транзисторVTL Начинается новый цикл работы генератора. На рис. 10.11,6 приведены эпюры напря­жений в точках схемы и зависимость периода повторения от управ­ляющего напряжения.

Рис. 10.11

Рис. 10.12

Генератор с ограниченной ОС.В генераторе (рис. 10 12, а) оба транзистора находятся в открытом состоянии. Конденсатор включен в цепь ПОС В результате изменения напряжения на коллектореVT2 транзисторVT1 открывается. Затем следует открывание транзисто­раVT2, который входит в насыщение. КонденсаторС1 заряжается через резисторR1. Через некоторое время базовый ток транзистораVT1 уменьшится настолько, что транзисторVT2 выйдет из насы­щения. Положительный перепад в коллекторе транзистораVT2 будет закрывать транзисторVT1. Это приведет к закрыванию обо­их транзисторов. ,Они будут закрыты до тех пор, пока конденсатор не разрядится через резисторыR1 — R3. Влияние сопротивления ре­зистораR3 на длительность импульсного сигнала показано на рис. 10.12,6. Если вместо резистораR1 включить диод, то генера­тор будет формировать импульсы длительностью 2 мкс и периодом следования 800 мкс.

Генератор с эмиттерной связью.В момент включения питания (рис. 10.13) транзисторVT2 открыт. В его эмиттере появляется на­пряжение, равное напряжению питания. Положительный перепад на­пряжения действует на эмиттер транзистораVT1. Это напряжение закрывает транзисторVT1. Конденсатор С заряжается через рези­сторR2. В тот момент, когда напряжение в эмиттере будет близко к нулю, транзисторVT1 открывается. Открывание транзистораVT1 изменит напряжение на эмиттере транзистораVT2, что вызовет реге­неративный процесс, приводящий к закрыванию транзистораVT2. С этого момента конденсаторС разряжается через резисторКЗ и открытый транзисторVT1. Потенциал эмиттера тра-нзистораVT1 за все время разряда конденсатора остается почти постоянным и близким к нулю. ТранзисторVT2 начнет открываться в тот момент, когда напряжение на конденсаторе будет близко к нулю. В пбсле-дующий момент ток через резисторR3 откроет транзисторVT2 и произойдет переключение транзисторов. Наступит новый цикл работы.

Рис. 10.13 Рис. 10.14

Длительность импульса выходного сигнала определяется выра­жением т_и=0,7С7?з, а время восстановления равно т_в=0,7СЯ₂- Для тех⁴номиналов элементов, которые указаны на схеме, длительность импульса выходного сигнала равна 75 мкс, а период следования 850 мкс. При увеличении сопротивления резистораR2 до 160 кОм период повторения увеличивается до 7,6 мс.

Генератор с двойным мостом.Генератор (рис. 10.14,а) постро­ен на транзисторах разных типов проводимости. Когда один тран­зистор открывается, то перепад напряжения в его коллекторе от­крывает, другой транзистор. Транзисторы либо оба проводят, либо оба закрыты.

При возникновении колебаний конденсаторы заряжаются через открытые транзисторы, а разряжаются через резисторы R2 иR3. Согласование постоянных времениCl, R2 иС2, R3 стабилизирует период следования импульсных сигналов, длительность которых может быть меньше 1 мкс. Частота следования импульсов опреде­ляется выражениемf=1,2/R₂C₂=1,2/R₃C₂. На рис. 10.14,6 приве­дены эпюры напряжений в точках схемы и зависимости периода повторения отR₃.

Управляемый генератор с зарядным конденсатором.При вклю­чении питания (рис. 10.15, а) управляющее напряжение открывает транзисторыVT1 иVT2. Вт.1 будет напряжение 10 В. До этого напряжения конденсаторС1 заряжается через транзисторVTL По мере заряда конденсатора уменьшается коллекторный ток транзи­стораVT1, который поддерживает напряжение 10 В в т.1. Насту­пит момент, когда напряжение в этой точке уменьшится, что послу­жит причиной закрывания обоих транзисторов. Начнется процесс разряда конденсатора через резисторыR2, R3 и диодVD1. Когда напряжение на коллекторе будет равно управляющему, транзисторыVT1 иVT2 вновь откроются. Время заряда» конденсатора опреде­ляет длительность импульса 10 мкс. На рис. 10.15,6 приведены эпю­ры напряжений в схеме и зависимости длительности периода следования импульсовТ от управляющего напряжения и сопротив­ления резистораR2.

Рис. 10.15

Мостовая схема генератора с усилителем.В генераторе (рис. 10.16, а) времязадающая цепочка состоит из элементовCl, R2, а пороговым элементом является транзисторVT1, сигнал которого управляет транзисторомVT2, осуществляющим сброс заряда инте­грирующего конденсатора. При включении питания в эмиттере тран­зистораVT1 возникает положительное напряжение, которое по мере заряда конденсатора уменьшается. Как только оно сравняется с управляющим напряжением, открывается транзисторVT1. Происхо­дит процесс разряда конденсатора через транзисторыVT1 иVT2. Частота следования импульсов пропорциональна управляющему на­пряжению. На рис. 10.16,6 показана зависимость частоты повторе­ния и периода от управляющего напряжения.

Генератор с двойной ОС.Генератор (рис. 10.17) позволяет по­лучить импульсный сигнал большой скважности. Для тех номиналов элементов, которые указаны на схеме, длительность импульса равна 50 мкс, а скважность можно менять от 2 до 2500. Такая большая регулировка скважности возможна благодаря подключению базовых резисторовR1 иR6 к коллектору транзистораVT3.

Рис. 10.16 Рис. 10.17

В момент включения схемы тран­зисторы VT1 иVT2 закрыты. Кон­денсаторС1 начинает заряжаться. Напряжение на базе транзистораVT1 увеличивается. Этот транзистор открывается. Своим коллекторным током он открывает транзисторVT2. Положительный перепад напряжения в коллекторе транзистораVT2 еще больше открывает транзисторVTI. Развивается лавинооб­разный процесс. В результате в открытом состоянии находятся все транзисторы. Коллекторное напряжение 9 В транзистораVT3 за­крывает диод и отключает базовые резисторыRl, R6. Спустя не­которое время конденсатор полностью зарядится и транзисторVT1 закроется. Следом за ним закроютсяVT2 иVT3. Начнется процесс разряда конденсатора через резисторы R1. иR6. Период следования импульсов определяется постоянной времени т== Ci[Ri-r-Re]- В коллекторе транзистораVT3 формируются им­пульсы отрицательной полярности, а в коллектореVT2 — положи­тельной.

Генератор на составном транзисторе.Генератор (рис. 10.18, о) построен на интегрирующей цепочкеRl, C1 и двух транзисторах. Напряжение на конденсаторе нарастает по экспоненциальному за­кону. Когда напряжение на конденсаторе достигает значения уп­равляющего, открывается составной каскад, выполняющий функции тиристора. Конденсатор разряжается через открытые транзисторы и резисторыR2 иR4. Время его разряда определяет длительности импульса, равную 15 икс. После окончания разряда конденсатора транзисторы закрываются. Начинается новый цикл работы генера­тора. Зависимость периода следования импульсов от управляющего напряжения показана на рис. 10.18, 6.

Генератор с интегратором тока.В основу генератора (рис. 10.19, а) положен принцип заряда конденсатораС постоянным током, протекающим через транзисторVT1, Конденсатор заряжает­ся по линейному закону. Когда напряжение на нем станет равным управляющему, открываются транзисторыVT2 иVT3. Происходит процесс разряда конденсатора за время действия импульса 15 мкс.

Амплитуда импульса равна амплитуде управляющего напряжения Период следования импульсов меняется по линейному закону в за­висимости от управляющего напряжения (рис 10 19,6)

Рис. 10.18

Рис. 10.19

Генератор с выключающим транзистором. В первоначальном состоянии все транзисторы (рис. 10.20) закрыты. КонденсаторС1 заряжается через резисторR2. Когда напряжение на конденсаторе становится равным напряжению, получаемому с делителяR5 R6 (приблизительно 7 В), транзисторыVT1 и VT2 открываются Раз­ряд конденсатора происходит через транзисторыVT1 иVT2 и базо­вую цепьVT3. ТранзисторVT3 открывается. Время разряда кон­денсатора равноT_p = C₁R₄.Затем транзисторыVT1 иV77 закрыва­ются и начинается новый цикл заряда конденсатора, который длится

т₃=0,3C₁R₂.

Генератор с квадратичным законом изменения напряжения на конденсаторе.В генераторе (рис. 10.21, а) времязадающим устрой­ством являются транзисторыVT1 иVT2 и конденсаторС1 Тран­зисторVT1 работает в качестве генератора тока. Зарядный ток определяется напряжением на базе этого транзистора Это напря­жение меняется в зависимости от потенциала на конденсаторе За счет этого в т.2 напряжение изменяется по параболическому зако­ну. Быстрый рост напряжения на конденсаторе уменьшает время открывания составного каскадаVT3. VT4 .для разряда конденсатоpa. Это свойство увеличивает стабильность периода следования импульсов. На рис 1021,6 представлена зависимость периодаТ от управляющего напряжения

Рис. 10.20

Рис. 10.21