Часть II. Лабораторные работы лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ АМПЛИТУДЫ И

ФОРМИРОВАТЕЛЕЙ ИМПУЛЬСОВ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ

Целью лабораторной работы является изучение конкретных схем ограничителя амплитуды и пороговых устройств, выполненных на микросхемах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) серии 133 (или 155).

1. Краткие теоретические сведения

Ограничителем называют четырёхполюсник, выходное напряжение которого остаётся на постоянном (заданном) уровне в том случае, если входное напряжение превышает некоторое пороговое значение.

Пороговые устройства, реагирующие на определённый уровень сигнала, получили широкое применение в различных информационно-измерительных системах и устройствах автоматики. Одной из областей применения пороговых устройств является формирование прямоугольных импульсов с малой длительностью фронтов. В качестве выходных сигналов для таких устройств могут служить синусоидальные колебания или импульсы с пологими фронтами.

Простейший ограничитель амплитуды может быть выполнен на основе схемы И-НЕ с объединёнными входами (рис.2.1).

Рис. 2.1

Передаточная характеристика и входная вольтамперная характеристикапоказаны на рис.2.2.

Рис. 2.2

На графиках (рис. 2.2) можно выделить три наиболее характерные области:

Область А соответствует открытому состоянию многоэмиттерного транзистора и закрытому выходному транзистору:

,

(выходное напряжение соответствует уровню логической единицы: )

, (2.1)

где: - сопротивление в цепи базы входного многоэмиттерного транзистора микросхемы ТТЛ (для серии 155);- напряжение питания микросхемы;- напряжение на эмиттерных переходах многоэмиттерного транзистора, смещённых в прямом направлении ().

Область Б соответствует активному режиму многоэмиттерного транзистора. На этом участке выходное напряжение и входной ток резко падают с ростом входного напряжения . Микросхема работает в линейном режиме.

Область В соответствует открытому и насыщенному состоянию выходного транзистора микросхемы. При этом , выходное напряжение соответствует уровню логического нуля , входной ток практически отсутствует.

Введём понятие критического значения сопротивления входного резистора (рис.2.1). Если входную клемму заземлить, то ток, протекающий по входной цепи через резистор , создаёт на входе микросхемы падение напряжения, величина которого определяется величиной сопротивления . Таким образом, даже без подключения к входу микросхемы источника входного напряжения на входе существует некоторая разность потенциалов. Существует некоторое значение входного сопротивления , при котором разность потенциалов на входе достигает порогового значения , то есть инвертор будет находиться на грани отпирания при нулевом значении входного сигнала. Это значение сопротивления и называется критическим .

Величина определяется из условия равенства падения напряжения на резисторе (рис.2.1а) значению порогового напряжения :

,

отсюда получим:

. (2.2)

На рис.2.3 приведена принципиальная схема базового элемента И-НЕ 155 серии ТТЛ.

Рис. 2.3

Пороговое значение соответствует входному напряжению, при котором транзисторVT2 начинает открываться, а транзистор VT4 ещё закрыт.

Второе пороговое значение соответствует моменту открытия выходного транзистора VT4.

В ограничителях синусоидального напряжения для получения симметричного ограничения необходимо располагать рабочую точку на середине области Б между значениями и , где - наименьшее входное напряжение, при котором на выходе достигается напряжение, соответствующее логическому нулю.

Определим амплитуду переменной составляющей входного тока в рабочей точке:

, (2.3)

где - пороговое значение входного напряжения, соответствующее напряжению логической единицы на выходе. Принимаем .

Величина сопротивления резистора на входе микросхемы (рис.2.1), обеспечивающая требуемое смещение для симметричного ограничения синусоидального сигнала, определяется по формуле:

, (2.4)

где - входное напряжение, соответствующее середине линейного участка Б (рис.2.2):

. (2.5)

С учётом выражений (1) и (4) получим:

. (2.6)

При рабочая точка приближается к участку В (рис.2.2б), в этом случае схема (рис.2.1) может использоваться как инвертор-ограничитель импульсов отрицательной полярности.

При воздействии таких импульсов выходной транзистор закрывается и выходное напряжение возрастает до уровня логической единицы .

Включение в схему (рис.2.1) резистора увеличивает длительность фронтов выходных импульсов, так как при этом снижается входное напряжение. Поэтому, если не требуется симметрия ограничения и необходимо получить минимальную длительность фронтов, следует выполнять условие .

Для улучшения формы выходного сигнала используют два логических элемента, соединённых последовательно и охваченных общей положительной обратной связью. В этом случае схемы представляют собой триггерные устройства (триггеры - формирователи) и имеют гистерезисные зависимости , представленные на рис.2.4.

Рис. 2.4

Рассмотрим различные варианты построения ограничителей.

1. Использование параллельной положительной обратной связи через дополнительный резистор R₂ приводит к тому, что схема (рис.2.5) работает как регенеративное пороговое устройство.

Рис. 2.5

Длительность фронтов выходных импульсов такого устройства определяется длительностью регенеративных процессов и практически не зависит от частоты и амплитуды входного сигнала. Недостатком схемы является сравнительно низкое входное сопротивление . Увеличение R₁ приводит к нарушению симметрии выходных импульсов при синусоидальном входном сигнале.

2. Для увеличения входного сопротивления может быть использован дополнительный транзистор на входе схемы. Увеличение R_ВХ в этой схеме (рис.2.6) происходит вследствие уменьшения входного тока в  раз ( - коэффициент передачи тока базы входного транзистора).

Рис. 2.6

3. Схема с последовательной обратной связью (рис.2.7). Используется в том случае, если симметрия выходного сигнала не имеет значения.

Рис. 2.7

4. В схеме (рис. 2.8) в цепь обратной связи вместо линейного резистора введен нелинейный резистивный элемент, функции которого выполняет диод VD. Это позволяет стабилизировать пороговое напряжение схемы.

Рис. 2.8

Во всех схемах (рис. 2.5, рис. 2.6, рис. 2.7, рис. 2.8) необходимо контролировать входное напряжение, которое не должно превышать допустимых значений. Для защиты входных цепей в них могут быть использованы диоды, включенные по схеме рис.2.1.

Рассмотренные ограничители и пороговые устройства имеют ряд достоинств: широкий диапазон рабочих частот (до 10МГц), малую длительность фронтов формируемых импульсов, малое выходное сопротивление (десятки Ом), что позволяет подключить значительную ёмкостную нагрузку.

Схемы с положительной обратной связью по своим функциональным возможностям аналогичны триггеру Шмитта, т.е. они могут использоваться в качестве пороговых и триггерных устройств при относительно низких требованиях к температурной стабильности порогов срабатывания.