1.1. Глин с токостабилизирующим элементом

Одним из способов улучшения линейности выходного сигнала является введение в схему отрицательной ОС, которая реализуется в виде токостабилизирующего элемента.

Т окостабилизирующий элемент (трёх- или четырехполюсник) реализуется на биполярном транзисторе, включённого по схеме с ОБ (рис. 6.4).

При замкнутом положении ключа происходит зарядка конденсатора С от источника питания Е_П через резистор R_КЛ, характеризуемая временем, которое является нерабочим, то есть временем обратного хода:

.

Конденсатор при этом заряжается до максимального напряжения:

.

При разомкнутом положении ключа происходит разрядка конденсатора С через токостабилизирующий транзистор VТ и источник Е_Э. Ток разрядки (ток коллектора транзистора) находится как: .

Так как коэффициент , обратный ток , ток мал вследствие большого сопротивления , то ток разрядки конденсатора будет иметь почти постоянное значение равное: .

Нелинейность выходного сигнала связана с перечисленными упрощениями и находится следующим образом. На основании общей формулы для коэффициента нелинейности выходного напряжения К_Н, можно записать:

.

Согласно формуле для получения линейного напряжения при постоянном токе через конденсатор нужно . При времени напряжение на конденсаторе будет максимальным и равным . Найдя значение и, подставив его в приведённое выражение К_НЕЛ, получим формулу для коэффициента нелинейности в схеме с токостабилизирующим элементом:

.

Оптимальное время рабочего хода находится как:

.

На рис. 6.5 представлена схема генератора ЛИН с токостабилизирующим элементом на транзисторе VТ1, работающая в ждущем режиме.

На транзисторе VТ2 выполнена схема ключа, на базу которого подаётся запускающий сигнал U_ЗАП, и время его действия будет определять длительность рабочего хода t_РАБ схемы ЛИН.

Режим насыщения транзистора VТ2 обеспечивается резистором R_К.

Д ля создания ЛИН большой мощности используется другой вариант схемы с отрицательной ОС (рис. 6.6).

Т ранзистор VТ1 является ключевым и находится в цепи запуска схемы ГЛИН. Транзистор VТ2 работает в активном режиме и является токостабилизирующим.

Зарядка хронирующего конденсатора С происходит по цепи: источник питания +Е_П, резистор R_К, участок база-эмиттер транзистора VТ2. При этом будет равно:

При закрытом ключе (транзистор VТ1) происходит разрядка хронирующего конденсатора С по цепи: участок коллектор–эмиттер транзистора VТ2, заземлённый корпус схемы, источник питания +Е_П, резистор R_Б1.

Коэффициент нелинейности выходного сигнала определяется выражением: . Временные показатели для схемы выражаются следующими значениями: – оптимальное время рабочего хода; .

1.2. Глин с компенсирующей эдс

Е сли в процессе зарядки конденсатора С через резистор R в схему вводится компенсирующая ЭДС в виде положительной обратной связи (ПОС), то на выходе схемы будет линейно растущее напряжение. Функциональная и эквивалентная схемы такого генератора представлены на рис. 6.7.

С целью введения ПОС в качестве каскада, передающего изменение напряжения на конденсаторе U_С(t), используется повторитель напряжения К с коэффициентом передачи . А так как выходное напряжение повторителя будет являться компенсирующей ЭДС, вводимой в цепь зарядки конденсатора С, то ток в последнем при зарядке становится постоянным.

Ток зарядки конденсатора будет равен:

без обратной связи , то есть непостоянен;

при введении ПОС , а так как и при , ток при зарядке будет постоянен.

Принципиальная электрическая схема генератора с компенсирующей ЭДС приведена на рис. 6.8.

В исходном состоянии конденсатор С будет разряжен до напряжения близкого к нулю через малое выходное сопротивление элемента DD1, выполняющего роль элемента согласования. При разомкнутом ключе Кл. в схеме ГЛИНа ПОС отсутствует. При подачи сигнала запуска U_ЗАП увеличивается выходное сопротивление элемента DD1, и конденсатор С заряжается от источника напряжения Е_П1 через диод VD1 и резистор R. Повторитель напряжения на ОУ (элемент DA1) обеспечивает на выходе схемы повторение изменяющегося напряжения на конденсаторе С, кот орое меняется по нарастающей экспоненте.

При замыкании ключа "Кл." в схему вводится ПОС. В исходном состоянии, до подачи сигнала запуска U_ЗАП, происходит зарядка конденсатора С_Е через диод VD1 и малое выходное сопротивление элемента DA1. По окончании зарядки диод закрывается, и напряжение на конденсаторе окажется равным:

.

При подаче входного сигнала закрывается элемент VD1, конденсатор С начинает заряжаться через резистор R от источника напряжения на конденсаторе С_Е равным . По мере его заряда растёт напряжение на выходе DA1, повторяя изменение напряжения на конденсаторе С и удерживая диод VD1 в закрытом состоянии. Так как эти изменения создают в схеме ГЛИНа ПОС, то зарядка хронирующего конденсатора С осуществляется постоянным током от источника напряжения в течение всего времени действия сигнала запуска.

Процесс зарядки конденсатора С продолжается до окончания времени действия запускающего импульса t_ЗАП, которое определяет длительность рабочего хода t_РАБ схемы ЛИН (рис. 54). Если ёмкость С_Е будет велика (С_Е≥10С), то изменение напряжения на ней будет несущественным за время действия t_ЗАП. По окончании t_ЗАП элемент DD1 открывается, и происходит процесс восстановления схемы, определяемый значением t_ОБР.

Линейность изменения выходного сигнала можно оценить по классической формуле или по формуле, включающей основные причины, вызывающие нелинейность выходного напряжения:

.

Каждая из этих составляющих оценивается согласно выражениям:

- составляющая коэффициента нелинейности, связанная с неидеальностью схемы повторителя на ОУ;

– собственный коэффициент усиления операционного усилителя;

- составляющая коэффициента нелинейности, связанная с соотношением ёмкостей конденсаторов в схеме;

,

где - составляющая,

зависящая от соотношения величин сопротивлений.

Так как схема генератора работает в ждущем режиме, и параметры выходного ЛИН зависят от длительности запускающего импульса t_ЗАП, то с целью оптимизации формы выходного импульса вводится понятие оптимального времени рабочего хода . Этот параметр определяется на выходе схемы и зависит от длительности сигнала запуска (рис. 6.9).

Оптимальным временем рабочего хода является такая длительность сигнала запуска , при которой на выходе схемы при максимально возможной амплитуде форма выходного сигнала не имеет изломов.

Д ля схемы генератора с компенсирующей ЭДС оптимальное время рабочего хода равно:

.

Время обратного хода равно:

.

В данной схеме влияние подключаемой нагрузки будет мало, так как ЛИН снимается с выхода повторителя напряжения на DA1, у которого, как известно, выходное сопротивление мало.