Лекция 32
Глава 20. Регенеративные импульсные устройства
20.1. Принципы построения и режимы работы регенеративных импульсных устройств
Для работы различных импульсных устройств часто требуется обеспечить подачу на их вход или в другие цепи импульсов напряжений прямоугольной формы требуемой амплитуды U и длительности tи (периодических с периодом T или непериодических) или крутых перепадов напряжений ∆U, вырабатываемых в нужные моменты. Положительные и отрицательные перепады образуют импульсы. Крутые перепады напряжения (тока) могут создаваться нелинейными системами в результате возникновения в них регенеративных процессов.
Регенеративными называются процессы, протекающие лавинообразно под воздействием положительной обратной связи или туннельного эффекта.
Устройства, в которых в результате регенеративных процессов возникают крутые перепады напряжения и тока, называют регенеративными импульсными устройствами. Среди них наибольшее распространение получили устройства, основанные на использовании усилителей с положительной обратной связью. По построению и назначению регенеративные импульсные устройства подразделяют на две большие группы. Одна из них — это генераторы, вырабатывающие импульсы напряжения требуемой амплитуды U и длительности tи, форма которых близка к прямоугольной. Вторая группа — это триггеры, вырабатывающие перепады напряжения.
Триггеры имеют два устойчивых состояния, из которых они выходят под воздействием запускающих импульсов. В состав генераторов входят времязадающие цепи (обычно в виде RС-цепей). В генераторах импульсов в течение регенеративного процесса формируется фронт импульса, затем во времязадающей цепи начинает протекать релаксационный процесс (поэтому эти генераторы иногда называют релаксационными). На стадии релаксационного процесса формируется рабочая часть импульса — вершина. Длительность этого процесса определяет длительность импульсов и частоту их повторения. Затем вновь наступает регенеративный процесс, протекающий в противоположном направлении, во время которого формируется срез вырабатываемого импульса. За ним начинает снова протекать релаксационный процесс, длительность которого определяет интервал времени между генерируемыми импульсами. Далее процесс повторяется. При этом генераторы не имеют ни одного состояния устойчивого равновесия, вследствие чего они непрерывно генерируют импульсы.
Однако возможен режим, в котором генераторы имеют одно состояние устойчивого равновесия. Итак, релаксационный генератор может работать в одном из режимов: автоколебательном, ждущем, синхронизации и деления частоты. Релаксационные генераторы можно разделить на два типа: мультивибраторы и блокинг-генераторы.
20.2. Мультивибраторы
Мультивибраторы вырабатывают колебания (импульсы) почти прямоугольной формы, имеющие широкий спектр частоты, т. е. это генератор множества колебаний. Схемы мультивибраторов строятся на усилителях с положительной обратной связью и включают времязадающие RC-цепочки. В качестве активных элементов в них используют транзисторы и туннельные диоды. Мультивибраторы выпускают как на отдельных (дискретных) элементах, так и в интегральном исполнении. Они бывают симметричные и несимметричные. Рассмотрим мультивибраторы на биполярных транзисторах.
Мультивибратор в режиме автоколебаний. Рассмотрим схему с коллекторно-базовыми связями (рис. 20.1). Она представляет собой двухкаскадный усилитель на биполярных транзисторах T1 и Т2. База одного транзистора соединена с коллектором другого через конденсаторыC1 и С2, которые обеспечивают положительную обратную связь. Резисторы RБ1 и RБ2 осуществляют подачу напряжения смещения на базы соответственно транзисторов Т1 и Т2 и входят в состав время-задающих RC-цепей. Схема симметрична по структуре, а параметры симметричных элементов одинаковы, т. е. а транзисторы T1 и Т2 одного типа. Такой мультивибратор называют симметричным. При рассмотрении процессов, происходящих в мультивибраторе, надо помнить, что потенциалы баз и коллекторов каждого транзистора равны соответственно:
Так как далее напряжение определяется между точкой с заданным потенциалом и точкой с нулевым потенциалом, то напряжение u равно потенциалу φ. Зарядка и разрядка конденсаторов C1 = С2 = С происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени τ = RC.
Напряжение на конденсаторе и ток во время зарядки изменяются по закону, который в общем случае имеет вид
(20.3)
где τз = RКС — постоянная времени цепи зарядки конденсатора.
Напряжение на конденсаторе и ток во время зарядки изменяются по закону
(20.4)
где — постоянная времени цепи разрядки конденсатора.
При работе импульсных устройств наряду с зарядкой и разрядкой конденсатора имеет место процесс перезарядки, когда предварительно заряженный конденсатор подключается через резистор встречно к источнику питания. В этом случае конденсатор сначала разряжается, а после того, как напряжение на нем станет равным нулю, заряжается по той же цепи до напряжения противоположной полярности. В общем случае процесс перезарядки описывается уравнением
где — постоянная времени цепи перезарядки конденсатора.
В рассматриваемых далее процессах в мультивибраторе конденсатор заряжается до напряжения илии, если бы он полностью перезаряжался, напряжение на нем становилось бы равным или Тогда напряжение на конденсаторе во времяперезарядки
(20.5)
где так как перезарядка происходит через резистор RБ.
Ток перезарядки
(20.6)
Рассмотрим работу мультивибратора.
Исходное состояние. Так как схема симметрична, то при подаче напряжения питания EK коллекторные токи iK, базовые токи iБ, напряжения на коллекторах uK,, базах uБ и на конденсаторах ис одного и другого усилителя будут одинаковыми.
Конденсатор C1 заряжается по цепи 0, эмиттерный переход транзистора -ЕK, а конденсатор С2 — по цепи 0, переход эмиттер — база транзистора Предположим, что в первый момент после включения схемы транзисторы Т1 и Т2 будут находиться в активном режиме. Особенность схемы такова, что достаточно малейшего нарушения симметрии (например, увеличения тока коллектора одного из транзисторов, так как в реальных цепях обеспечить абсолютную симметрию схемы невозможно), чтобы в цепи наступило самовозбуждение.
Предположим, что при включении цепи ток коллектора iK1 транзистора T1 скачком возрос. При этом скачком увеличится падение напряжения на резисторе RKl, а потенциал коллектора φK1 станет менее отрицательным; напряжение на коллекторе uК1 получит положительное приращение. Напряжение uК1 действует в цепи конденсатор С1, переход база — эмиттер транзистора Т2, но его приращение полностью приложится к напряжению на базе uБ2 транзистора Т2, так как напряжение на конденсаторе по второму закону коммутации скачком измениться не может. Вследствие этого потенциал базы φБ2 транзистора Т2 станет менее отрицательным, транзистор Т2 несколько подзакроется и ток его коллектора уменьшится. Уменьшение тока iK2 вызовет уменьшение падения напряжения на резисторе RK2 и потенциал φK2 коллектора транзистора Т2 станет более отрицательным.
Отрицательный скачок напряжения uк2, аналогично скачку напря-жения uК1, приложится к напряжению на базе транзистора Т1, но, поскольку этот скачок напряжения отрицательный, потенциал φБ1 станет более отрицательным и это еще больше откроет транзистор T1 и ток коллектора iК1 еще больше возрастет. Это вызовет новый положительный скачок напряжения uK1, который будет выше предыдущего за счет усилительных свойств транзистора, и, таким образом, лавинообразный процесс изменения токов и напряжений коллектора за счет положительной обратной связи будет повторяться. Он закончится тем, что транзистор T1 полностью откроется и будет находиться в режиме насыщения, а транзистор Т2 полностью закроется и будет находиться в режиме отсечки.
Как только транзистор Т2 закроется, действие положительной ОС прекращается и лавинообразный процесс заканчивается. Время протекания лавинообразного процесса очень мало по сравнению с последующим процессом. Таким образом, лавинообразный процесс протекает в то время, когда оба транзистора находятся в активном режиме.
Во время лавинообразного (регенеративного) процесса формируются крутые фронты импульсов. По окончании регенеративного процесса напряжение на базе насыщенного транзистора T1 будет отрицательным и близким к нулю, поскольку падением напряжения на сопротивлении перехода база — эмиттер можно пренебречь; напряжение на коллекторе также будет примерно равно нулю; напряжение на базе закрытого транзистора Т2 будет определяться выражением (20.1) и окажется больше нуля; напряжение на коллекторе транзистора Т2 будет примерно равно -Ек, так как ток через резистор RK2 примерно равен нулю. Состояние схемы по окончании регенеративного процесса называют квазиустойчивым равновесием. Название происходит от того, что в этом состоянии мультивибратор не может находиться длительное время. Процессы, происходящие в нем, выводят его из равновесия и заканчиваются «опрокидыванием» схемы, т. е. закрытый транзистор открывается, переходит в режим насыщения, а открытый транзистор закрывается, переходит в режим отсечки.
Изменение режима транзисторов происходит за счет того, что конденсаторы C1 и С2, заряженные в первый момент работы схемы до напряжений uCo1 и uC02 и сохранившие эти значения за время регенеративного процесса неизменными, будут изменять свое состояние, при этом один из них будет продолжать заряжаться по той же цепи, а другой — перезаряжаться.
Рассмотрим, как будет происходить этот процесс. Открытое состояние транзистора T1 поддерживается отрицательным смещением на базе, подаваемым от источника питания через резистор RБ1, а транзистор Т2 удерживается в закрытом состоянии положительным потенциалом на конденсаторе uC1, приложенным к базе, так как uC1 ≈ uБ2 {если пренебречь незначительным падением напряжения на сопротивлении насыщенного транзистора T1).
Конденсатор С2 заряжается по цепи 0, открытый транзистор T1, C2, RK2, -Ек в соответствии с (20.3), где τ3 = RК2С2. Напряжение на конденсаторе С2 будет увеличиваться до максимального значения uС2 = UC2m ≈ EK (незначительным напряжением на базе насыщенного транзистора uБ1 пренебрегли). Ток зарядки конденсатора С2, протекая по резистору RK2, создает на нем падение напряжения. Так как ток зарядки убывает во времени с постоянной времени τ3 = RК2С2, то к концу зарядки потенциал коллектора φK2 транзистора T2 станет равным -EK.
После того как транзистор Т2 закроется, конденсатор C1 окажется подключенным к источнику ЕK по другой цепи: 0, открытый транзистор T1, конденсатор С1, резистор RБ2, -ЕK, поэтому направление тока изменится на обратное и конденсатор начнет перезаряжаться.
Ток перезарядки и напряжение на конденсаторе изменяются по экспоненциальному закону [согласно формулам (20.5) и (20.6)] с постоянной времени τп = RБ2C1. Сначала начнется разрядка конденсатора, а в момент времени t2, когда напряжение uС1 на конденсаторе C1 упадет до нуля и потенциал базы транзистора Т2 станет примерно равным нулю, транзистор Т2 откроется, появится ток iK2 и в процессе перезарядки разрядка конденсатора С1 закончится. Этот процесс зарядки одного конденсатора и перезарядки другого происходит по сравнению с лавинообразным, регенеративным, процессом медленно. В это время формируются вершины импульсов.
Переходный процесс при зарядке и разрядке конденсаторов называют релаксационным. Поэтому можно встретить другое название мультивибраторов — генераторы релаксационных колебаний. По окончании релаксационного процесса оба транзистора оказываются открытыми и вновь начинается скачкообразное изменение токов коллекторов, т. е. в схеме протекает новый лавинообразный процесс. На рис. 20.2 показаны эпюры напряжений на базах uБ1, uБ2 и коллекторах uК1, uK2 транзисторов Т1 и Т2. Напряжения на коллекторах - это выходные напряжения мультивибратора.
Параметры генерируемого импульса. Положим, что импульс формируется при закрывании транзистора, а пауза — при открывании.
Амплитуда импульса. Так как мультивибратор симметричен, на каждом выходе его формируются импульсы с одинаковой амплитудой. Напряжение на коллекторе открытого транзистора Т равно примерно нулю, а на коллекторе закрытого транзистора UКз ≈ -Ек. Тогда амплитуда импульса Um = UKН - UКз ≈ |ЕK|.
Длительность импульса. После того как один из транзисторов (например, Т2) закрывается, происходит перезарядка конденсатора C1, присоединенного к коллектору открытого транзистора T1. Перезарядка длится с момента t1 до t2 (рис. 20.2), когда потенциал базы транзистора Т2 станет равным нулю (напряжение на перезаряжаемом конденсаторе упадет до нуля). В это время транзистор Т2 откроется и формирование вершины импульса закончится. Таким образом, длительность импульса определяется временем разрядки в процессе перезарядки конденсатора C1 (рассуждая аналогично, можно сказать, что она равна времени разрядки конденсатора С2). Поэтому конденсаторы С1 и С2 называют времязадающими или хронирующими. Напряжение на конденсаторе в период разрядки, а следовательно, и на базе закрытого транзистора Т2 будет уменьшаться по экспоненте, согласно (20.5), с постоянной времени τп1 =RБ2C1.
(20.7)
Спустя время t2 – t1, равное времени длительности импульса tп1, потенциал базы транзистора Т2 станет равен примерно нулю. Подставляя в выражение (20.7) t = tи и uБ2 = 0, получим или
После преобразований получаем
Период колебаний Для симметричного мультивибратора tИ1 = tИ2, поэтому
(20.10)
Скважность
Ждущий мультивибратор с коллекторио-базовыми связями (одно-вибратор). Ждущий мультивибратор, который иначе называют одно-вибратором, предназначен для формирования одиночных импульсов заданной длительности, которые вырабатываются в определенные моменты времени. Он имеет одно состояние устойчивого равновесия. Это достигается тем, что усилительный элемент одного из плеч мультивибратора запирается напряжением смещения от дополнительного источника. В этом случае схема без внешнего запускающего импульса не сможет опрокинуться. Запускающий импульс должен иметь определенную полярность, амплитуду и длительность. До подачи запускающего импульса схема как бы «ждет» запуска, отсюда и название прибора. После подачи запускающего импульса схема переходит в следующее состояние — квазиустойчивое равновесие, в котором она находится некоторое время, равное длительности запускающего импульса, и возвращается в устойчивое состояние.
Рассмотрим схему ждущего мультивибратора с коллекторно-базовыми связями (рис. 20.3, а). Эта схема отличается от рассмотренной ранее схемы мультивибратора с коллекторно-базовыми связями в автоколебательном режиме следующим. В схему введен источник смещения EБ, который запирает транзистор T1. Транзистор T1 может быть открыт подачей на его базу отрицательного запускающего импульса от постороннего источника EЗ, включенного в цепь базы транзистора Т1 через разделительный конденсатор Ср. Параметры схемы RБ1, RБ2 и R выбирают таким образом, чтобы в исходном состоянии тран-зистор Т1 был закрыт за счет источника смещения +ЕБ, а транзистор Т2 открыт и насыщен. Конденсатор C1 может заряжаться по цепи 0, полностью открытый транзистор T2, конденсатор С1, резистор RK1, -EK. Для генерации импульса схему выводят из устойчивого состояния,для чего на базу закрытого транзистора T1 подают запускающий импульс. Оба транзистора оказываются открытыми, поэтому в цепи развивается лавинообразный процесс изменения токов iК1 и iK2. В результате этого схема опрокидывается: транзистор Т1 открывается и переходит в режим насыщения, а транзистор Т2 закрывается и переходит в режим отсечки, удерживаясь в этом состоянии, так как его база оказалась подключенной через конденсатор С1 и открытый транзистор Т2 к нулевому зажиму источника ЕK. Теперь конденсатор оказывается подсоединенным к источнику EK по другой цепи: 0, открытый транзистор T1, C1, RБ2, - ЕK — и начнет перезаряжаться с постоянной времени τп = RБ2С1. По мере его разрядки в процессе перезарядки, как только напряжение на нем упадет до нуля, потенциал базы φБ2 транзистора Т2 станет равен нулю и транзистор Т2 откроется.
Теперь опять оба транзистора открыты и в схеме вновь развивается лавинообразный процесс, в результате которого схема опрокидывается: транзистор T1 закрывается, а транзистор Т2 открывается. Но при этом напряжение на конденсаторе С1 равно нулю, а не ЕK, как это было в исходном состоянии. Поэтому после переброса схемы конденсатор С1 станет заряжаться по цепи 0, открытый транзистор Т2, конденсатор С1, резистор RК1, -Eк с постоянной времени τ1 = RK1C1. Процесс зарядки конденсатора C1 требует некоторого времени, примерно (4τ1). После зарядки конденсатора до исходного напряжения ЕK схема перейдет в исходное устойчивое состояние.
На выходе ждущего мультивибратора (транзистора Т2) формируется почти прямоугольный импульс, длительность которого tИ определяется длительностью закрытого состояния транзистора Т2. Поэтому следующий запускающий импульс должен быть подан не ранее того времени, когда закончится зарядка конденсатора C1. Это время от момента, когда напряжение на конденсаторе С1 возрастает от нуля до исходного значения EK, называют временем восстановления tвос. На рис. 20.3, б показаны эпюры изменения напряжений на базе транзистора Т2, на коллекторе транзистора T1 и на коллекторе транзистора Т2.