3. Влияние параметров схемы на результат дифференцирования

До сих пор мы рассматривали идеальную дифференцирующую цепь, которая подключена к выходу генератора импульсов, имеющего внутреннее сопротивление R_i , равное нулю. Кроме того, мы не учитывали собственную ёмкость нагрузки (C₀) генератора импульсов (т.е. мы принимали C₀ = 0). На вход дифференцирующей цепи подавался идеальный прямоугольный импульс, у которого τ_ф = τ_с = 0. В реальных условиях внутреннее сопротивление генератора импульсов и собственная ёмкость его нагрузки не равны нулю, а прямоугольный импульс всегда имеет определённую длительность фронта и среза, т.е. не может считаться идеальным.

Наличие внутреннего сопротивления генератора импульсов R_i приводит к тому, что напряжение на выходе (U_вых) уменьшается. Начальный скачок выходного напряжения составляет только часть входного скачка. Если не учитывать C₀ , то скачок на выходе дифференцирующей цепи делится между сопротивлениями R_i и R:

.

Кроме того, за счёт R_i возрастает постоянная времени цепи:

,

что приводит растягиванию импульса на выходе.

Влияние C₀ , шунтирующей выход цепи, сказывается на уменьшении амплитуды выходного напряжения. Если не учитывать R_i , то перепад входного напряжения делится между ёмкостями C₀ и C:

,

т.е. на выход цепи передаётся тем меньшая часть амплитуды входного напряжения, чем больше величина C₀ .

Кроме того, наличие C₀ приводит к удлинению длительности среза и, следовательно, длительности импульса в целом, а сочетание R_i и C₀ – к удлинению переднего фронта (т.к. на C₀ напряжение не может иметь скачка). При совместном действии R_i и C₀ форма выходного импульса ухудшается больше, чем от каждого паразитного параметра в отдельности. Поэтому реальный результат дифференцирования будет отличаться от идеального. С учётом сказанного эквивалентная схема реальной дифференцирующей цепи будет иметь вид, показанный на рис.2.5:

Рис.2.5. Эквивалентная схема реальной дифференцирующей цепи

Реальный дифференцированный импульс будет иметь форму, изображённую на рис. 2.6.

Для уменьшения влияния R_i и C₀ параметры дифференцирующей цепи выбирают так, чтобы выполнялись неравенства R > R_i и C > C₀ . Обычно выбирают C = (2 …3)C₀ . В то же время увеличение ёмкости C в дифференцирующей цепи приводит к необходимости уменьшать величину сопротивления R (так как должно выполняться условие τ = RC << τ_и), что ведёт к уменьшению амплитуды выходного напряжения.

Рис.2.6. Искажающее действие паразитной ёмкости C₀

при дифференцировании

3. Переходные цепи

В многокаскадных усилителях (в том числе и импульсных) напряжение с выхода предыдущего каскада на вход следующего передаётся, как правило, через переходные RC- цепи. Такие цепи должны обеспечивать выполнение двух условий:

• минимальные искажения входного сигнала;

• разделение («развязка») каскадов по постоянной составляющей.

Последнее условие необходимо выполнять, потому что режим работы по постоянному току последующего каскада усиления должен выбираться независимо от постоянной составляющей выходного напряжения предыдущего каскада.

Схема переходной цепи по начертанию ничем не отличается от дифференцирующей цепи (рис.2.2). Однако если в дифференцирующей цепи обязательно выполнение соотношения τ << τ_и, то в переходной цепи это соотношение должно быть τ >> τ_и.

Принцип действия переходной цепи.

Будем считать, что на вход переходной цепи подаётся идеальный прямоугольный импульс, у которого τ_ф = τ_с = 0 и амплитуда входного напряжения

U_вх = Е. Принцип действия и эпюры напряжений на элементах переходной цепи показаны на рис.2.7.

1. Исходное состояние схемы (t < t₁).

В исходном состоянии U_вх = 0; U_С = 0; U_R = U_вых = 0.

2. Первый скачок напряжения (t = t₁).

В момент t = t₁ происходит скачок напряжения на входе переходной цепи. За время действия фронта импульса в соответствии с законом коммутации конденсатор C мгновенно зарядиться не может, поэтому U_С = 0

и U_R = Е.

3. Заряд конденсатора (t₁ < t < t₂).

С момента времени t = t₁ напряжение на конденсаторе начинает увеличиваться по экспоненциальному закону

,

а ток, протекающий через ёмкость, убывает также по экспоненциальному

закону

Поскольку постоянная времени переходной цепи τ >> τ_и, то заряд конденсатора будет происходить медленно. Так же медленно спадает по экспоненте напряжение на выходе. Заряд ёмкости происходит до момента времени t₂ = τ_и.

4. Второй скачок напряжения (t = t₂).

В этот момент на входе импульс скачком падает до нуля. В соответствии с законом коммутации напряжение на конденсаторе мгновенно измениться не может, но скачкообразно пропадает ток, протекающий через конденсатор. Это вызывает отрицательный скачок напряжения на выходе схемы.

Рис.2.7. Эпюры напряжений на элементах переходной цепи

5. Разряд конденсатора и восстановление исходного состояния

схемы (t > t₂).

После отрицательного скачка напряжения начинается разряд конденсатора, который происходит по экспоненциальному закону. Чем больше постоянная времени переходной цепи, тем дольше будет длиться разряд конденсатора.

Таким образом, одиночный импульс через переходную цепь проходит с искажениями тем меньшими, чем больше постоянная времени этой цепи. Искажения сигнала при прохождении его через линейную переходную цепь принципиально неизбежны. Эти искажения заключаются в том, что вершина прямоугольного импульса при его передаче уменьшается на величину ΔU_вых, а после окончания входного импульса на выходе цепи появляется экспоненциальный хвост противоположной полярности. Для уменьшения искажений ёмкость C за время действия входного импульса не должна заметно заряжаться, чтобы спад напряжения на выходе цепи был незначительным. Следовательно, чтобы искажения сигнала на выходе переходной цепи были минимальными, необходимо выполнить условие

τ = RC >> (5 …10)τ_и,

что соответствует неравенству

Восстановление постоянной составляющей сигналов.

Фиксирование уровня напряжения.

Для нормальной работы импульсных устройств необходимо, чтобы к началу каждого импульса, вырабатываемого схемой, или импульса, поступающего на её вход, напряжение на выходе этой схемы имело одну и ту же постоянную величину. Когда мы рассматривали работу переходной цепи, то речь шла об одиночном импульсе. На самом же деле через переходную цепь проходит периодическая последовательность импульсов (или любых других сигналов с переменной составляющей). При этом на переходном конденсаторе, связывающем отдельные каскады, происходит постепенное накопление электрических зарядов. За счёт этого на входе следующего каскада имеет место изменение начального уровня напряжения. В ламповых усилителях это приводит к «сползанию» рабочей точки в область малой крутизны анодно-сеточной характеристики, что нарушает режим работы каскада и в итоге приводит к уменьшению амплитуды выходных импульсов. То же самое происходит и в транзисторных усилителях (рис.2.8).

Рис.2.8. Изменение уровня постоянного напряжения на выходе переходной

цепи при передаче серии однополярных импульсов

Такое изменение начального напряжения на переходной цепи нежелательно, прежде всего, из-за его нестабильности (этот уровень устанавливается постепенно: он зависит от амплитуды импульсов на входе переходной цепи, длительности импульса и периода следования импульсов, а также от разных сопротивлений цепей заряда и разряда переходной цепи). Поэтому уровень напряжения на выходе переходной цепи подвержен как регулярным, так и случайным изменениям, и обеспечить его постоянство путём компенсации напряжением определенной величины невозможно, т.к. оно может сущест-венно повлиять на работу каскада усилителя или полностью его нарушить.

Постоянство уровня напряжения на выходе переходной цепи решается с помощью фиксаторов уровня. Фиксаторы уровня обеспечивают постоянный заданный уровень напряжения на выходе переходной цепи независимо от любых изменений параметров импульсов на её входе в любой момент времени. Влияние фиксатора уровня на работу схемы сводятся к резкому уменьшению постоянной времени цепи заряда или разряда переходного конденсатора, вследствие чего уже задолго до прихода очередного импульса в схеме устанавливается необходимый исходный режим. Чаще всего используются диодные фиксаторы. Диод, в зависимости от способа включения, уменьшает постоянную времени цепи заряда или разряда переходного конденсатора.

Действие фиксаторов основано на использовании свойств нелинейной переходной цепи (когда ). Чаще всего применяются диодные фиксаторы уровня (рис.2.9).

Рис.2.9. Обобщённая схема фиксатора уровня

Фиксатор уровня состоит из диода Д и источника постоянного смещения Е. Диод подключён параллельно резистору R переходной цепи. Вследствие односторонней проводимости диод делает эту переходную цепь нелинейной

( ≠ ). В зависимости от полярности включения диод шунтирует сопротивление для тока заряда или разряда конденсатора С. При отсутствии источника смещения (Е) максимальное или минимальное значение напряжения фиксируется на нулевом уровне.

Источник смещения Е включается последовательно с диодом Д и резистором R, включённым параллельно диоду, так что напряжение на выходе фиксатора уровня будет Напряжение смещения Е определяет требуемое (отличное от нуля) значение начального уровня и, следовательно, постоянной составляющей . На работу диода и прохождение переменной составляющей входного напряжения и величина Е не влияет.

Рассмотрим некоторые типовые схемы диодных фиксаторов уровня. На рис.2.10. приведена схема фиксаторов нулевого уровня.

а) фиксатор нулевого уровня снизу

б) фиксатор нулевого уровня сверху

Рис.2.10. Фиксаторы нулевого уровня

В схеме рис.2.10,а во время действия положительного импульса диод Д заперт, и заряд конденсатора С происходит через резистор R с постоянной времени заряда , которая для получения минимальных искажений формы импульса выбирается из условия . В паузах между импульсами происходит быстрый разряд конденсатора С через прямое сопротивление диода ( . В паузах конденсатор практически полностью разряжается и к началу следующего импульса . Так как в рассмотренном случае нулю был равен нижний начальный уровень входного напряжения, то фиксатор работает в режиме восстановления нулевого уровня снизу, т.е. восстановителя постоянной составляющей цепи.

При где ( – время паузы) фиксируемый уровень будет сохраняться при любых изменениях параметров входных импульсов (вплоть до изменения их полярности) и их начального уровня. При этом будет изменяться лишь постоянная составляющая напряжения на конденсаторе С.

Схема фиксатора нулевого уровня сверху приведена на рис.2.10,б. Здесь за время длительности импульса конденсатор С быстро заряжается через открытый диод Д, а в паузах между импульсами медленно разряжается через резистор R. Постоянная времени цепи заряда

Если , то конденсатор за время действия каждого импульса успевает практически полностью зарядиться до напряжения , в результате чего к концу каждого импульса напряжение на выходе схемы будет равно и = 0.

На рис.2.11 показана схема фиксатора положительного уровня снизу, которая отличается от схемы рис.2.10,а только включением смещения + Е.

Рис.2.11. Фиксатор положительного уровня снизу

В этой схеме при = 0 под действием напряжения конденсатор С заряжается через диод по цепи: до напряжения . При этом = . Так как смещение никакого влияния на работу диода не оказывает («минус» источника смещения отделён от катода диода конденсатором С), то при воздействии процессы заряда и разряда конденсатора будут происходить так же, как и в схеме рис. 2.10,а. Таким образом, > 0.

Если изменить полярность источника смещения и диода, то получим схему фиксатора отрицательного уровня снизу (рис.2.12).

При этом 0.

Рис.2.12. Фиксатор отрицательного уровня снизу