3.2. Электронные ключи и формирователи импульсов

В импульсной РЭА используется различные формирователи импульсов (ФИ) – от простейших до сложных. К простейшим относятся линейные формирующие цепи, например с распределёнными или сосредоточенными параметрами, и нелинейные формирующие цепи, напр., электронные ключи, ограничители и др.

К более сложным ФИ относятся устройства, сочетающие простейшие формирователи с электронными ключами, представляющие широкий класс регенеративных устройств (триггеры, мультивибраторы, одновибраторы, блокинг-генераторы, релаксаторы и т. д.).

Данные формирователи подробно рассмотрены в [19]. Самыми простейшими ФИ, на которых основаны упомянутые сложные формирователи, являются интегрирующие (ИЦ) и дифференцирующие (ДЦ) цепи.

Интегрирующей цепью называют четырехполюсник, сигнал, на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала. Операцию выполняемую интегрирующей цепью, можно записать в виде соотношения

,

где k – коэффициент пропорциональности.

Простейшими интегрирующими элементами можно считать кон­денсатор C или индуктивную катушку L.

Интегрирующие цепи применяют для выполнения операции интегрирования в аналоговых вычислительных устройствах, сгла­живания пульсаций в цепях питания при наличии импульсных помех, преобразования прямоугольных импульсов в треугольные, расширения импульсов по длительности.

Принцип работы схемы. Конденсатор (без утечки) является идеальным элементом для интегрирования входного тока i. Однако обычно ставится задача интегрирования входного напряжения u₁. Для такой возможности достаточно преобразовать ис­точник напряжения u₁ в генератор тока i, сила кото­рого пропорциональна напряжению u₁. Близкий к этому результат можно достигнуть, если последовательно с кон­денсатором включить резистор достаточно большого сопро­тивления R (рис. 3.1), при котором ток

почти не зависит от напряжения u₂.

Рис. 3.1. Интегрирующая цепь

Для возможности использования RC-цепи в качестве интегрирующей необходимо, чтобы постоянная времени RC была достаточно велика. При интегрировании однополярного импульса произвольной формы длительностью t_и это условие имеет вид

.

Временные диаграммы иллюстрирующие результат импульсного воздействия на интегрирующую цепь приведены на рис. 3.2.

Рис. 3.2

Условием интегрирования для синусоидальных и импульсных сигналов являются соотношения:

t_{и вх}

Интегрирование в ИЦ сопровождается расширением длительности входного импульса:

t_{и вых} t_{и вх}+ 3RC,

поэтому в инженерной практике ИЦ называют расширяющей.

Дифференцирующей цепью называют четырехполюсник, сигнал, на выходе которого имеет значения, пропорциональные в каждый момент времени производной от входного сигнала. Операцию, выполняемую дифференцирующей цепью, можно записать в виде соотношения

,

где k – коэффициент пропорциональности.

Дифференцирующие цепи применяют для выполнения математи­ческой операции дифференцирования в аналоговых вычислительных устройствах; для фазового сдвига гармонических колебаний на угол, близкий к 90°, а также в качестве укорачивающих цепей.

Принцип работы схемы. Конденсатор (без утечки) является идеальным элементом для преобразования приложенного к нему напряжения u₁ (рис. 3.3) в ток i, изменяющийся пропорционально производной du₁/dt.

Рис. 3.3

Для получения выходного напряжения, изменяющегося по закону

(1*)

достаточно преоб­разовать протекающий в цепи ток i в напряжение.

Рис. 3.4. Дифференцирующая цепь

Это мо­жет быть достигнуто включением в цепь резистора R (рис. 3.4) настолько малого сопротивления, что закон изменения тока останется почти неизменным ( ), а создаваемое им падение напряжения будет изменяться по закону, близкому к (1*).

В результате анализа представленной цепи сделаны следующие выводы:

1. для применения RС-цепи в качестве дифференцирующей необходимо, чтобы выполнялось неравенство:

.

Этому будет способствовать уменьшение постоянной времени RC. Но при этом будет уменьшаться и величина выходного сигнала, которая также пропорциональна постоянной RC.

2. Наибольшее искажение выходного сигнала при дифференцировании импульса u₁(t) должно получаться в течение фронтовой части (или при срезе) этого импульса, где вторая производная , выражающая скорость изменения крутизны фронта (или среза), имеет наибольшую величину.

3. Наилучший результат дифференцирования должен получаться в течение той части импульса u₁(t), где скорость изменения напряжения .

Временные диаграммы, иллюстрирующие результат импульсного воздействия на дифференцирующую цепь, приведены на рис. 3.5.

Рис. 3.5

Так как в результате дифференцирования на выходе формируются два импульса положительной и отрицательной полярностей с укороченной длительностью по сравнению с длительностью входного импульса, то ДЦ принято называть укорачивающей:

t_{и вых} 3RC

Обычно достаточно для синусоидального и прямоугольного сигналов

t_{и вх ,}

а при RC >> t_{и вх} ДЦ становится переходной, т. е. пропускает прямоугольный импульс без искажений.

Другими нелинейными ФИ являются различные схемы амплитудных ограничителей (АО) входного сигнала (односторонние или двусторонние). Например, в схеме простейшего одностороннего АО ограничивается часть верхней половины синусоиды, а транзисторный двусторонний АО ограничивает верхнюю амплитуду за счет насыщения перехода база – эмиттер, а нижнюю – за счет запирания транзистора (рис. 14.1 в [24]).

Для симметричного АО рабочую точку выбирают в середине активной области передаточной характеристики БПТ. В практике широко применяются интегральные АО, например, серий К155ЛА3 и др.