IV. Генераторы прямоугольных импульсов
Часть первая
ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРОВ
Глава 1. Общие сведения о работе генераторов
Для генерирования импульсных сигналов используются так называемые релаксационные генераторы, создающие разрывные (дискретные) несинусоидальные сигналы.
Генераторы импульсов преобразуют постоянную энергию источника питания в электрические импульсы различной длительности и формы.
Принцип их работы основан на применении в усилителях положительной обратной связи (ПОС) в широком диапазоне частот.
Релаксационные и гармонические генераторы отличаются способом обмена энергии в процессе зарядки–разрядки реактивных хронирующих (времязадающих) элементах.
Релаксация – это кратковременный лавинный процесс перехода (переключения) схемы из одного состояния в другое связанное с перезарядкой реактивных элементов.
Если в гармонических генераторах зарядка или разрядка конденсатора (или накопление энергии в индуктивности) осуществляется в течение нескольких периодов (колебательный контур), то в релаксационных генераторах этот процесс обмена энергии происходит в течение только одного периода.
Структурная схема генератора приведена на рис. 4.1.
Коэффициент усиления усилителя с ПОС будет равен:
.
Условием
самовозбуждения генератора является
неравенство
,
которое представляется в виде двух
условий:
-
баланса амплитуд, показывающего, что
ослабление сигнала вносимого цепью ПОС
должно компенсироваться усилителем,
то есть
.
- баланса фаз, показывающего, что сумма фазовых сдвигов на входе усилителя и цепи ПОС должна быть равна 3600 или 2π, то есть сигнал ПОС должен приходить в одной фазе с входным:
,
где
– модуль коэффициента усиления усилителя,
комплексное значение которого равно:
;
– коэффициент
передачи цепи обратной связи и его
комплексное значение:
;
и
- фазы сигналов на входе усилителя и на
выходе цепи обратной связи.
Если основное условие самовозбуждения выполняется для одной частоты, то получим генератор синусоидальных колебаний, если - для ряда частот, то выходной сигнал у такого генератора будет иметь несинусоидальную форму. При этом ограничение амплитуды колебаний определяется нелинейностями динамических характеристик активных элементов (транзисторов).
В релаксационных генераторах цепь прямой передачи представляет собой коэффициент усиления широкополосного усилителя КU, а цепь положительной обратной связи æОС может быть выполнена в виде импульсного трансформатора или с применением RС-цепей. Примером первых генераторов являются блокинг-генераторы, а вторых, – мультивибраторы (МВ).
Если в гармонических генераторах стабильна частота колебаний, но нестабильна амплитуда, то в релаксационных генераторах имеет место обратное положение: нестабильна частота сигналов при их постоянной амплитуде.
Схемы релаксационных генераторов работают в одном из ниже перечисленных режимов:
- автоколебательном, когда при подаче питающего напряжения происходит генерация сигналов импульсной формы;
- ждущем, когда при подаче внешнего сигнала запуска на выходе схемы имеет место сигнал, отличающийся как по амплитуде, так и по длительности от параметров сигнала запуска;
- синхронизации, когда на схему, работающую в автоко-лебательном режиме, подается внешний синхронизирующий стабильный сигнал. Частота работы такого релаксационного генератора определяется частотой внешнего сигнала;
- кратной синхронизации, или деления частоты, в этом случае частота внешнего синхронизирующего сигнала в несколько раз (кратное) превышает частоту сигнала, генерируемого релаксационным генератором.
Схемы мультивибраторов (МВ) определяются типом активных элементов и могут быть выполнены как на дискретных компонентах, так и интегральных микросхемах (ИМС).
Применение МДП-транзисторов (большое RВХ) позволяет увеличивать длительность выходных импульсов в схемах МВ.
Улучшение формы импульсов и сокращение времени восстановления в МВ на ИМС, в отличие от МВ на дискретных компонентах, достигаются схемотехническими решениями с применением методов интегральной технологии.
Рассмотрим основные принципы работы различных МВ и основные соотношения для генерируемых ими импульсов.