Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010
.pdf6.НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ
Вряде электронных устройств требуется преобразование импульсных сигналов по амплитуде, длительности импульсов, частоте следования и т.д.
Для нелинейного преобразования амплитуды импульсов применяют ограничители амплитуды импульсов, характеризуемые порогами ограничения, вне пределов которых выходной импульс, ограничиваясь, остается практически неизменным.
Для преобразования импульсных сигналов по длительности, т.е. для их укорочения или расширения применяют усилителиформирователи.
Частоту следования импульсов можно менять при помощи делителей частоты и счетчиков импульсов.
Вэтом разделе рассмотрим ограничители амплитуды импульсов, формирователи коротких импульсов и расширители импульсов.
6.1.Ограничители амплитуды импульсов
6.1.1.Назначение и основные параметры ограничителей амплитуды импульсов
Ограничители амплитуды представляют собой электронные устройства с порогами ограничения, вне пределов которых на выходе импульс остается практически неизменным и равным пороговому значению ограничения. В пределах порогов ограничения выходной сигнал по форме совпадает с входным сигналом.
Сигнал можно ограничить по максимуму и по минимуму. В первом случае сигнал на выходе устройства остается практически постоянным, когда подводимый сигнал превышает порог ограничения, называемый уровнем ограничения сверху или по максимуму (рис. 6.1,а). Во втором случае сигнал на выходе устройства остается практически постоянным, когда подводимый сигнал становится меньше порога ограничения, называемого уровнем ограничения
301
снизу или по минимуму (рис. 6.1,б). Ограничитель с двумя порогами ограничения называется двусторонним (рис. 6.1,в).
Для ограничения амплитуды сигналов используют ключевые элементы. В качестве электронного ключа в ограничителях широко применяются полупроводниковые диоды. Диодные ограничители отличаются простотой, однако они являются пассивными элементами, не способными усиливать сигналы, подводимые ограничителю. С целью устранения указанного недостатка диодные ограничители дополняют усилительным элементом, в том числе и ИМС (например, ИОУ, ИКН). Можно построить также ограничители на активных элементах, работающих в ключевом режиме. К числу таких относятся ограничители на транзисторных ключах и на ИМС
(например, логические ИМС, ИОУ, ИКН). Они позволяют наряду с ограничением осуществлять и усиление сигнала.
В зависимости от способа включения ключевого элемента различают последовательную и параллельную схемы ограничения. В первой ключевой элемент включается последовательно с нагрузкой, во второй – параллельно.
Ограничители амплитуды широко применяются в импульсных устройствах и обычно выполняют следующие функции:
•формируют импульсы с плоской вершиной;
•пропускают импульсы определенной полярности и амплиту-
ды;
•формируют импульсы стандартной амплитуды;
302
•ограничивают уровень сигналов для сокращения длительности фронта или среза;
•фиксируют уровень сигналов для поддержания напряжения или тока на заданном уровне;
•демпфируют колебания ударного возбуждения в контурах. Ограничители амплитуды встречаются в схемах формировате-
лей импульсов, дискриминаторов амплитуды, представляющих собой пороговые устройства для регистрации сигналов определенной амплитуды и полярности.
Ограничители амплитуды наиболее часто применяются в узлах ЭВМ. Диодно-транзисторные логические элементы (ДТЛ) содержат двусторонний диодный ограничитель, состоящий из диодной сборки на входе ДТЛ и диодов смещения. В ЭВМ используются также усилители-ограничители в качестве основной части динамических триггеров; они входят в состав схем запрета, совпадения, инверсии и т.д.
Ограничение уровня сигналов часто используется в быстродействующих импульсных устройствах для ограничения амплитуды, т.е. фиксации уровня сигнала, что позволяет заметно уменьшить продолжительность переходных процессов и тем самым увеличить быстродействие схемы.
По принципу работы к ограничителям амплитуды также близки фиксаторы уровня и восстановители постоянной составляющей сигналов.
Одним из основных показателей ограничителей амплитуды является качество ограничения, характеризуемое коэффициентом передачи в области как пропускания Kпр, так и ограничения Kогр. Коэффициенты передачи представляют собой отношение приращений выходного и входного напряжений.
Рабочие характеристики ограничителей амплитуды определяются также уровнями ограничения, которые лимитируются обычно напряжением источников смещения и питания. В ограничителях, содержащих реактивные элементы (разделительные конденсаторы, согласующие трансформаторы, индуктивные катушки в формирующих контурах), при воздействии последовательности импульсов уровень выходного сигнала сдвигается, так как образуется ди-
303
намическое смещение. Из-за этого дополнительного смещения уровень ограничения может измениться, что необходимо учитывать при расчете практических схем.
При ограничении импульсных сигналов с крутыми перепадами форма сигнала заметно искажается, что обусловлено переходными процессами, которые протекают в ограничителе. Работа ограничителей в импульсном режиме достаточно полно характеризуется длительностями фронта tфр и среза tср выходного импульса. В ряде случаев определяют также время установления выбросов tуст, образуемых в ограничителе при импульсном воздействии.
6.1.2. Диодные ограничители
Диодные ограничители применяются для формирования импульсов. Они используются как пороговые элементы для селекции электрических сигналов по амплитуде и полярности. Встречаются диодные фиксаторы уровня и восстановители постоянной составляющей сигналов.
В диодных ограничителях коэффициенты передачи при пропускании Kпр и при ограничении Kогр определяются средними значениями сопротивления диода при прямом rпр и обратном rобр напряжениях смещения, внутренним сопротивлением источника входного сигнала Rвн и сопротивлением нагрузки Rн. В параллельных ограничителях они зависят также от ограничивающего сопротивле-
ния Rогр.
В настоящее время в быстродействующих ограничителях используются импульсные диоды со сравнительно узкой базой и малым объемным сопротивлением, изготовленные из полупроводникового кристалла с малым временем жизни. В импульсных диодах переходный процесс устанавливается за десятки наносекунд, что значительно меньше времени перезаряда паразитных емкостей, входящих в схему ограничителя. Поэтому при расчетах ограничителей микросекундного диапазона инерционностью полупроводникового диода, определяемой временем установления заряда в базе, можно пренебречь.
304
Последовательные ограничители. В ограничителе по мини-
муму (рис. 6.2), когда входное напряжение Uвх становится меньше напряжения источника смещения Есм на величину Uот.д, диод запирается и не пропускает сигнал на выход.
Рис. 6.2. Схема последовательного диодного ограничителя по минимуму (а) и эпюры его входного и выходного напряжений (б)
В ограничителе по максимуму (рис. 6.3) сигнал на выход не пропускается, если его амплитуда превышает пороговое напряжение Есм + Uот.д. Уровень ограничения диодного ограничителя можно менять, изменяя напряжение и полярность включения источника смещения Есм.
Рис. 6.3. Схема последовательного диодного ограничителя по максимуму (а) и эпюры его входного и выходного напряжений (б)
В последовательном диодном ограничителе
305
Kогр = |
|
Rн |
|
|
|
; |
|
|||
R |
+ r |
|
+ R |
|
||||||
|
|
|
вн |
обр |
|
н |
|
|
||
Kпр = |
|
|
Rн |
|
|
|
Rн |
|||
|
|
|
|
. |
||||||
R |
+ r |
+ R |
|
R + R |
||||||
|
вн |
|
пр |
н |
|
|
вн |
н |
||
Из этих соотношений следует, что для качественного ограничения сигнала и передачи возможно большей величины его в пропускном направлении необходимо при расчетах стремиться к выполнению следующих неравенств:
Rвн + rобр Rн; rпр Rн.
Первое условие, как правило, удовлетворяется для большинства
практических схем, так как обычно rпр Rн. Второе условие значительно проще реализовать при использовании полупроводниковых диодов.
При гальванической связи с нагрузкой пороги ограничения зависят от напряжений источников смещения и напряжения отпирания диода Uот.д. Если же в схеме содержатся разделительные конденсаторы или согласующие трансформаторы, то при нахождении порогов ограничения следует учитывать влияние динамического смещения. Напряжение динамического смещения, определяемое средним значением напряжения на конденсаторе, можно рассчитать по приближенной формуле
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
τотк |
|
t2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Uд.см |
|
|
|
|
Uпос + |
|
|
|
|
|
∫Uвх(t)dt , |
(6.1) |
|
|
τотк |
|
t |
T |
|
τ |
|
−1 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
зак |
t1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
1+ |
τзак |
−1 |
T |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где τотк и τзак – постоянные времени цепи, по которой протекает ток перезарядка конденсатора или ток намагничивания трансформатора, в открытом и закрытом состояниях диода; t = t2 – t1 – промежуток времени, в течение которого ток протекает по цепи с закрытым диодом; Т – период следования импульсов; Uпос =
Т
= 1 ∫Uвх(t)dt – постоянная составляющая выходного сигнала.
T 0
306
При трансформаторной связи определяется среднее значение тока намагничивания Iд.см. Для этого можно воспользоваться формулой, аналогичной (6.1), заменив в ней напряжения на соответствующие токи.
Качество ограничения импульсных сигналов характеризуется длительностями фронта и среза выходного импульса, которые в последовательном диодном ограничителе определяются постоянными времени перезаряда паразитных емкостей при открытом диоде
τпр С2 (Rвн || Rн) = C2 |
RвнRн |
, |
R + R |
||
|
вн н |
|
при закрытом |
|
|
τогр С2Rн.
Емкость С2, которая шунтирует выходную цепь ограничителя (см. рис. 6.2 и 6.3), складывается из емкости нагрузки Cн и паразитной емкости монтажа См, т.е. С2 = Сн + См. Влияние проходной емкости C1 (которая практически равняется зарядной емкости перехода диода Сп) проявляется в закрытом состоянии диода. После отпирания диода емкость С1 шунтируется сопротивлением проводящего диода и начинает перезаряжаться с постоянной времени С1rпр (пренебрежимо малой по сравнению с τпр).
При ограничении импульсных сигналов в течение времени, пока диод закрыт, входной сигнал непосредственно передается на выход через паразитную емкость С1. В результате на выходе ограничителя появляется сигнал определенной величины и даже в том случае, когда амплитуда входного сигнала не превышает порога ограничения. Это так называемый сигнал помехи. Такого рода помехи особенно опасны при использовании ограничителя в качестве порогового элемента, а также в схемах, предназначенных для выполнения логических функций. Максимальная амплитуда этой помехи не превышает величину
Uпомmax =Uвхт |
С1 |
|
, |
С +С |
2 |
||
1 |
|
||
где Uвхт – амплитуда входного сигнала.
307
Для ограничения сигналов по максимуму и по минимуму применяются двусторонние ограничители (рис. 6.4). Напряжение источников смещения выбирают так, чтобы в отсутствие входного сигнала диод Д2 был открыт (Eсм1 < Есм2). Верхний уровень ограничения определяется напряжением источника смещения Есм2, а нижний
– потенциалом катодов Uк0, соответствующим границе отпирания Д1. Диод Д1 отпирается, когда напряжение на входе превышает величину Uк0 + Uот.д1. При этом напряжение на выходе ограничителя практически равняется напряжению на входе (так как падение напряжения на проводящих диодах пренебрежимо мало). Когда напряжение Uвх превышает величину Eсм2 + Uот.д1 – Uот.д2, диод Д2 запирается, и напряжение на выходе ограничивается на уровне Есм2.
Рис. 6.4. Схема двустороннего последовательного диодного ограничителя (а) и эпюры напряжений (б) на входе (пунктиром – вне порогов ограничения) и выходе
Значительное улучшение характеристик диодных ограничителей может быть достигнуто при их сочетании с усилительными элементами. В интегральной схемотехнике в качестве последних наиболее часто применяют ИОУ.
Последовательные ограничители на ИОУ можно построить по известной схеме, включив диод между операционным усилителем и нагрузкой. На практике предпочтение отдают схемам, в которых последовательный диодный ограничитель включают в цепь нелинейной обратной связи операционного усилителя (рис. 6.5,а).
В закрытом состоянии диода входной сигнал воспроизводится с коэффициентом передачи Kпр, равным коэффициенту усиления операционного усилителя Kис. Когда потенциал точки А повышается настолько, что диод отпирается, вступает в действие отрица-
308
тельная обратная связь, которая существенно уменьшает коэффициент усиления и тем самым ограничивает амплитуду выходного импульса на уровне, близком
|
R1 |
|
|
R2 |
|
|
|
|
|
|
|||
Uогр ≈ Есм R |
+ |
R |
||||
+Uот.д 1 |
|
|||||
2 |
|
|
1 |
|
||
(рис. 6.5,б). Качество ограничения зависит от глубины отрицательной обратной связи, определяемой соотношением
F = 1 + γи Kис,
где γи = |
Rг || R1 |
|
– коэффициент передачи напряжения по цепи |
R + R || |
R |
||
|
2 г |
1 |
|
обратной связи.
Рис. 6.5. Схема последовательного диодного ограничителя по максимуму на ИОУ с нелинейной обратной связью (а) и эпюры напряжений генератора входного сигнала Uг и на выходе ИОУ (б)
При ограничении амплитуды коэффициент передачи Kогр уменьшается обратно пропорционально глубине обратной связи
Kогр = KFис ≈ Rг || R1 .
Всхеме на рис. 6.5,а искажения крутых перепадов импульса на
выходе определяются импульсными характеристиками операционного усилителя с учетом ограничения амплитуды импульса.R2
309
При использовании стабилитрона в цепи нелинейной обратной связи (рис. 6.6) отпадает необходимость в дополнительном источнике смещения Есм (см. рис. 6.5, а).
Рис. 6.6. Схема последовательного диодного ограничителя со стабилитроном Ст и диодом Д в цепи нелинейной обратной связи ИОУ (а) и эпюры напряжений входного генератора сигнала Uг и на выходе ИОУ (б)
Если требуется одностороннее ограничение, то последовательно со стабилитроном включают диод, параметры которого выбирают так же, как в схеме параллельного ограничителя. Исключение резистивного делителя R1–R2 (см. рис. 6.5, а) упрощает технологию изготовления схемы и одновременно способствует улучшению качества ограничения, так как повышается глубина обратной связи (F = 1 + Kис) и, соответственно, уменьшается коэффициент передачи при ограничении
Kогр = KFис ≈1.
Вдвустороннем ограничителе в цепь нелинейной обратной связи включают последовательно два стабилитрона (рис. 6.7, а). При этом пороги ограничения определяются напряжением пробоя одного из стабилитронов и прямым перепадом напряжения на другом из них (рис. 6.7, б).
310