Глава 11. формирователи и генераторы электрических импульсов

ВИДЫ ГЕНЕРАТОРОВ -ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ И ИХ ОСОБЕННОСТИ

В § 9.3 рассмотрены процессы формирования импуль­сов линейными RС-цепями: дифференцирующей и ин­тегрирующей. Однако параметры полученных при этом импульсов (длительность, амплитуда, крутизна фронта и среза) часто не удовлетворяют практическим требова­ниям. Кроме того, на входы таких цепей необходимо по­давать импульсы с вполне определенными параметрами.

Задача формирования электрических импульсов и других видов сигналов решается с помощью специальных формирователей или генераторов, относящихся к классу нелинейных устройств.

Для создания электрических импульсов служат им­пульсные генераторы. Они широко применяются в радио­локации, радиосвязи, телевидении, вычислительной техни­ке и т. д. Длительность генерируемых импульсов может составлять от единиц наносекунд до сотен миллисекунд при скважности от двух до десятков и сотен тысяч. По способу возбуждения различают импульсные генераторы с самовозбуждением (автоколебательные), внешним, или посторонним возбуждением и генераторы, работающие в ждущем, или заторможенном режиме.

Ждущие импульсные генераторы отличаются от им­пульсных генераторов с внешним возбуждением тем, что параметры импульсов, генерируемых ждущими генера­торами, практически не зависят от формы внешних (за­пускающих) импульсов.

Для выполнения условия самовозбуждения в гене­раторе создается цепь положительной обратной связи. Для обеспечения работы в ждущем режиме применяются специальные схемотехнические меры, вследствие чего цепь ПОС начинает действовать только после подачи на вход генератора запускающего импульса.

Отличительной особенностью большинства генерато­ров импульсов является наличие двух устойчивых со­стояний равновесия. Переход из одного устойчивого со­стояния в другое осуществляется не плавно, а скачко­образно и имеет лавинообразный характер в начальной стадии. Такой процесс называется регенеративным, а устройства, работа которых основана на использовании этого процесса,— регенеративными. Регенеративные устройства позволяют генерировать прямоугольные импульсы с высокой крутизной фронта и среза и форми­ровать перепады напряжений и токов.

Все регенеративные генераторы можно подразделить на две группы:

спусковые устройства, или триггеры, которые не содер­жат реактивных элементов, и переход из одного устойчи­вого состояния в другое происходит под воздействием управляющего напряжения;

релаксационные генераторы импульсов, содержащие не менее одного реактивного элемента (обычно конденса­тор), выполняющего роль накопителя энергии. В таких генераторах регенеративные (лавинообразные) процессы чередуются с релаксационными, т. е. относительно медлен­ными изменениями энергии накопителя. Разновидностями релаксационных регенеративных генераторов импульсов являются мультивибраторы, одновибраторы, блокинг-генераторы, фантастронные генераторы.

В настоящее время получили широкое распростране­ние генераторы импульсов на ИМС — операционных уси­лителях и логических элементах, что обусловлено просто­той осуществления в этих ИМС положительной обрат­ной связи.

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Мультивибраторы применяются для генерирования прямоугольных импульсов в тех случаях, когда нет жест­ких требований ких длительности и частоте повторения.

Мультивибраторы на дискретных элементах.Схема простейшего автоколебательного мультивибратора на транзисторах приведена на рис. 11.1,а. Он представляет собой двухкаскадный усилитель с положительной ОС, замкнутый в кольцевую схему: выход первого усилителя соединен со входом второго, а выход второго — со входом первого. Если R_к1 = R_к2, R_б1 = R_б2 и С1 = С2,то мульти­вибратор называют симметричным.

Рис. 11.1. Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми связями (а) и

графики напряжений на электродах транзисторов (б)

При подключении источника питания токи проходят через оба транзистора VT1 и VT2. Одновременно начи­нается зарядка конденсаторов С1 и С2. Напряжения на конденсаторах и_С1 и и_С2 нарастают по экспоненциальному закону.

По мере увеличения коллекторных токов транзисторов повышаются и коэффициенты усиления плеч (т. е. первого и второго усилительных каскадов) мультивибратора. Пока βК < 1 (β — коэффициент передачи цепи положи­тельной ОС; К — коэффициент усиления), происходит увеличение коллекторных токов обоих транзисторов и увеличение напряжений и_С1 и и_С2. Мультивибратор рабо­тает как двухкаскадный усилитель с положительной ОС.

Вследствие даже незначительной асимметрии плеч мультивибратора, вызванной разбросом параметров тран­зисторов, резисторов и конденсаторов, коллекторный ток одного транзистора окажется больше по сравнению с коллекторным током другого транзистора. При βК > 1 это приведет к возникновению регенеративного процесса. Действительно, пусть коллекторный ток I_К1 транзистора VT1 будет больше коллекторного тока I_К2 транзистора VT2. Это вызовет уменьшение коллекторного напряжения транзистора VT1, которое передается через конденсатор С1 на базу транзистора VT2 и приводит к уменьшению коллекторного тока I_К2 этого транзистора. Уменьшение тока I_К2 сопровождается увеличением коллекторного на­пряжения транзистора VT2, которое через конденсатор С2 передается на базу транзистора VT1 и приводит к еще большему увеличению коллекторного тока I_К1, уменьшению коллекторного напряжения транзистора VT1 и т. д.

Рассмотренный процесс можно более кратко пред­ставить в виде такой символической записи:

Процесс увеличения коллекторного тока I_К1 и уменьше­ния коллекторного тока I_К2вследствие действия положи­тельной ОС носит лавинообразный характер и заканчи­вается переходом транзистора VT1 в режим насыщения, а транзистора VT2 — в режим отсечки.

При открытом и насыщенном транзисторе VT1 кон­денсатор С1 оказывается подключенным через малое со­противление r_КЭ1 между базой и эмиттером транзистора VT2. При этом отрицательное напряжение и_БЭ2= –– и_С1 поддерживает транзистор VT2 в закрытом состоянии. В таком состоянии, которое называется временно устой­чивым или квазиравновесным, мультивибратор будет находиться в течение времени, определяемого переза­рядкой конденсатора С1 по цепи:

+ Е_п → R_б2 → С1 → коллектор — эмиттер VT1 → — Е_п.

В это же время происходит зарядка конденсатора С2 по цепи:

+ Е_п → R_к2 → С2 → база — эмиттер VT1 → — Е_п.

Обычно элементы R_к и R_б выбирают так, чтобы про­цесс зарядки конденсатора протекал быстрее, чем про­цесс их перезарядки. Поэтому конденсатор С2 успеет зарядиться до значения коллекторного напряжения за­крытого транзистора VT2, которое примерно равно + Е_п. После окончания зарядки С2 транзистор VT1 будет удер­живаться в режиме насыщения за счет протекания тока базы I_Б1 = I_{Б нас} = E_п / R_б1.

По мере перезарядки конденсатора C1 напряжение и_С1 увеличивается и в некоторый момент достигает нуле­вого значения. С этого момента транзистор VT2 начнет открываться, его коллекторное напряжение и_КЭ2умень­шается и в мультивибраторе замыкается цепь ПОС, вы­зывающая лавинообразный процесс изменений токов и напряжений:

Этот процесс заканчивается запиранием транзистора VT1 и переходом в режим насыщения транзистора VT2.

Мультивибратор переходит во второе квазиустойчи­вое состояние равновесия, в котором начинается зарядка конденсатора CJ по цепи:

и перезарядка конденсатора С2 по цепи:

Транзистор VT1 будет поддерживаться в закрытом со­стоянии напряжением u_C2,которое подключается через малое сопротивление r_КЭ2 между его базой и эмиттером минусом к базе. Такое квазиустойчивоё состояние будет сохраняться до тех пор, пока напряжение и_С2 не достигнет нулевого значения. С этого момента начнет развиваться новый лавинообразный процесс изменений токов и напря­жений, который приведет к отпиранию транзистора VT1 и запиранию VT2.

Графики изменений коллекторных и базовых напря­жений мультивибратора показаны на рис. 11.1, б.

Время закрытого состояния транзистора VT1 или длительность положительного импульса, снимаемого с выхода 1, определяется перезарядкой конденсатора С2 и рассчитывается по приближенной формуле:

(11.1)

Аналогично

(11.2)

Период повторения

(11.3)

В симметричном мультивибраторе при С1 = С2 = С

иR_б1=R_б2=R

.

Мультивибратор, схема которого показана на рис. 11.1, а, называют мультивибратором с коллекторно-базовыми связями и положительной базой. Если резисторы R_б1 и R_б2 включить между базами транзисторов и отри­цательным полюсом источника Е_п,то получится мульти­вибратор с коллекторно-базовыми связями и нулевой базой. Он обладает меньшей стабильностью длительности и периода повторения импульсов.

Для улучшения формы импульсов в мультивибратор вводят фиксирующие (рис. 11.2, а)или отсекающие (рис. 11.2, 6)диоды. В мультивибраторе с фиксирующими диодами

Рис. 11.2. Схемы мультивибраторов с коллекторно-базовыми связями с фиксирующими (а) и отсекающими (б) диодами

коллекторное напряжение увеличивается не до уровня Е_п, а до уровня Е_ф < Е_п. При U_КЭ = Е_ф соответствующий диод открывается и коллекторное на­пряжение фиксируется на этом уровне. Этим достигается уменьшение длительности фронта выходных импульсов.

Отсекающие диоды отключают закрывшийся транзи­стор от цепи зарядки конденсатора С1 или С2. Поэтому коллекторное напряжение оказывается не зависящим от напряжения на подключенном к нему конденсаторе, что приводит к увеличению крутизны фронта и среза импуль­сов.

Мультивибраторына ИМС.Мультивибраторы, в ко­торых используется рассмотренный принцим работы, вы­пускаются и в интегральном исполнении (например, К119ГГ1, КР119ГГ1). Недостатком интегральных мульти­вибраторов является потребность в конденсаторах боль­шой емкости, которые трудно изготавливать. Поэтому в таких мультивибраторах используются навесные конден­саторы, подключаемые к соответствующим выводам ИМС.

Каждое плечо мультивибратора можно рассматривать как транзисторный ключ или логический элемент И — НЕ. Это позволяет выполнять мультивибраторы на базе логи­ческих элементов.

Мультивибратор на двухвходовых ЛЭ И — НЕ (рис. 11.3) работает следующим образом.

Рис. 11.3. Схема мультивибратора на логических элементах И — НЕ

Предположим, что ЛЭ1 закрыт, а ЛЭ2 открыт. Тогда на выходе 1 высокий уровень напряжения (логическая единица) и конденсатор С1 заряжается через резистор R2. Напряжение u_R2,создаваемое на резисторе R2,поддержи­вает ЛЭ2 в открытом состоянии до тех пор, пока u_R2 > U¹_пор. Пока идет зарядка конденсатора С1, конденса­тор С2 успевает практически полностью разрядиться через выходное сопротивление R⁰_вых открытого ЛЭ2 и диод VD1.

Когда напряжение на резисторе R2 достигнет поро­гового, ЛЭ2 начнет закрываться. Увеличение напряжения на выходе 2 через конденсатор С2 будет передано на вход ЛЭ1 и вызовет его отпирание. При этом произойдет уменьшение напряжения на выходе 1, которое через конденсатор С1 будет передано на вход ЛЭ2 и приведет к дальнейшему уменьшению протекающего через него тока. Таким образом, замыкается петля положительной ОС и происходит «опрокидывание» (т. е. переход из одного квазиравновесного состояния в другое) мультивибратора. После опрокидывания ЛЭ1 окажется открытым, а ЛЭ2 — закрытым. Начнется зарядка конденсатора С2 и разрядка конденсатора С1.

На рис. 11.4, а приведена схема мультивибратора на операционном усилителе (ОУ). Рассмотрим его работу.

Рис. 11.4. Схема мультивибратора на ОУ (а) и графики изменений напряжений на конденсаторе и выходе мультивибратора (б)

В момент подключения мультивибратора к источникам питания и_С = U^(–)_вх= 0, а состояние ОУ является неопре­деленным. Предположим, что в этот момент и_вых = = U_{вых mах}. Следовательно, на неинвертирующем входе ОУ действует положительное напряжение U⁽⁺⁾_{вх mах} = U_{вых mах} • R1 / (R1 + R2),а конденсатор С заряжается через резистор R3. При увеличении напряжения на конденсаторе до значе­ния, близкого к U⁽⁺⁾_{вх mах}, ОУ выходит из режима насыще­ния, вступает в действие положительная ОС и начинается лавинообразный процесс переключения («опрокидыва­ния»), в результате которого на выходе ОУ устанавли­вается минимальный нижний уровень напряжения и_вых = U_{вых min}, и напряжение на неинвертирующем входе при­нимает значение U⁽⁺⁾_{вх min} = U_{вых min} • R1 / (R1 + R2). Конден­сатор С начинает перезаряжаться через резистор R3. При уменьшении напряжения и_С до значения, близкого к U⁽⁺⁾_{вх min} происходит «обратное опрокидывание» и т. д.

Графики выходного напряжения и напряжения на конденсаторе, иллюстрирующие работу мультивибратора, показаны на рис. 11.4, б.

ОДНОВИБРАТОРЫ

Одновибраторы используются для получения прямо­угольных импульсов напряжения большой длительности (от десятков микросекунд до сотен миллисекунд), в ка­честве устройств задержки, делителей частоты и для дру­гих целей.

Одновибратор обладает одним устойчивым состоя­нием, в котором может находиться сколь угодно долго, пока к нему не будет приложено внешнее напряжение, переводящее его в квазиустойчивое состояние. Переход из квазиустойчивого состояния в устойчивое осуществля­ется в одновибраторе самостоятельно.

Одновибраторы на дискретных элементах.Одновибра­тор можно получить из автоколебательного мультивибра­тора, если одно из его квазиустойчивых состояний пре­вратить в устойчивое. На рис. 11.5, а показана схема

Рис. 11.5. Схема одновибратора на БТ с коллскторно-базовыми связями (а) и

графики напряжений на электродах транзисторов (б)

одновибратора с коллекторно-базовыми связями, а на рис. 11,5,б временные диаграммы напряжений, поясняю­щие его работу.

Резисторы R1, R2 и R_к2 выбираются такими, что на­пряжение между базой и эмиттером транзистора VT1 оказывается отрицательным. Поэтому в исходном состоя­нии этот транзистор закрыт. На базу транзистора VT2 через резистор R_б подается положительное напряжение. Транзистор VT2 вследствие этого открыт и насыщен.

Входной отрицательный импульс через разделительную цепь C_pR_pи отсекающий диод VD1 подается на базу тран­зистора VT2. Ввиду накопленных в базе зарядов неоснов­ных носителей транзистор VT2 не может сразу закрыться, и начинается процесс рассасывания неосновных носите­лей. Через время t_рас транзистор VT2 окажется на границе режима насыщения и под действием отрицательного входного импульса, приложенного к базе VT2, коллектор­ный ток транзистора VT2 начнет уменьшаться, а кол­лекторное напряжение и_КЭ2— увеличиваться. Увеличение напряжения и_КЭ2 через делитель R2R1 передается на базу транзистора VT1. Чтобы увеличить коэффициент передачи делителя, не нарушая исходного состояния, ре­зистор R2 можно шунтировать конденсатором С_у неболь­шой емкости, который называется ускоряющим.

Под действием ПОС, приводящей к лавинообразному процессу изменений токов и напряжений транзисторов:

транзистор VT2 запирается, а транзистор VI'1 отпирается и переходит в режим насыщения. Наступает квазиустой­чивое состояние равновесия.

После отпирания транзистора VT1 конденсатор С оказывается включенным между базой и эмиттером тран­зистора VT2, причем и_БЭ2 = — и_С. Начинается переза­рядка конденсатора С по цепи: + Е_п → R_б → C → VT1 → — Е_п. Перезарядка сопровождается уменьшением отри­цательного напряжения на конденсаторе и на базе тран­зистора VT2. При этом напряжение и_КЭ1 ≈ 0, а и_КЭ2 ≈ Е_п– (Е_п + E_б)R_к2 / (R1+ + R2 + R_к2).

Как только напряжение на конденсаторе достигнет нулевого уровня, рабочая точка, характеризующая режим транзистора VT2, окажется на границе с активной об­ластью. При дальнейшем увеличении напряжения и_С
рабочая точка перейдет в активную область и замкнется цепь положительной ОС:

Транзистор VT1 закроется, a VT2 откроется и будет находиться в режиме насыщения. Начнется зарядка кон­денсатора С по цепи: + Е_п → R_К1 → C → VT2 → — Е_п. После зарядки конденсатора С одновибратор будет находиться в устойчивом состоянии до прихода следующего входного (запускающего) импульса, т. е. в режиме ожидания. Поэтому одновибратор часто называют ждущим м у л ьт и в и б р а то р о м.

Длительность формируемого одновибратором им­пульса определяется постоянной времени цепи переза­рядки конденсатора С и может быть приближенно опре­делена по формуле

(11.4)

Недостатком рассмотренного одновибратора является использование в нем двух источников Е_пи Е_б. Поэтому чаще применяется одновибратор с эмиттерной связью (рис. 11.6), в котором имеется только один источник питания Е_п.

Рис. 11.6. Схема одновибратора на БТ с эмиттерной связью

Роль источника Е_б,обеспечивающего запи­рание транзистора VT1 в исходном состоянии, выполняет напряжение U_эна резисторе R_э создаваемое эмиттерным током открытого и насыщенного транзистора VT2. Ток базы насыщенного транзистора VT2 определяется сопро­тивлением резистора R_б,а ток коллектора — сопротивле­нием резистора R_к2. Сопротивления резисторов R1, R2 и R_э рассчитываются таким образом, чтобы в исходном со­стоянии напряжение и_БЭ транзистора VT1 было отрица­тельным, т. е.

где U_э = I_{Э2 нас} R_э; I_{Э2 нас} — эмиттерный ток транзистора VT2 в режиме насыщения.

Одновибраторы на логических элементах.На рис. 11.7,а представлена схема одновибратора на логических элементах И — НЕ.

В исходном состоянии на входе ЛЭ1 действует на­пряжение высокого уровня — логическая единица. Напря­жение на входах ЛЭ2 равно напряжению на резисторе R, которое создается на нем входным током ЛЭ2. Так как I_вхR < и⁰_пор, то можно считать, что на входах ЛЭ2 имеется логический нуль, а на выходе — логическая единица, которая передается на второй вход ЛЭ1.

Рис. 11.7. Схема однопибратора на логических элементах (а) и

графики изменений напряжений на входах и выходах ЛЭ (б)

Таким образом, на каждом входе ЛЭ1 имеется логическая единица. Сле­довательно, ЛЭ1 открыт и напряжение на его выходе соответствует логическому нулю. Напряжение на конден­саторе С также близко к нулю.

При поступлении на вход отрицательного импульса, соответствующего логическому нулю, на выходе ЛЭ1 устанавливается логическая единица, соответствующая напряжению высокого уровня. Начинается зарядка кон­денсатора С. Ток зарядки протекает от выхода ЛЭ1 через конденсатор С и резистор R. На резисторе создается положительное напряжение u_R =i_{C зар}R > U¹_пор,которое в виде логической единицы поступает на входы ЛЭ2 и от­крывает его. На выходе ЛЭ2 образуется низкое напря­жение (логический нуль), которое передается на второй вход ЛЭ1и поддерживает его в закрытом состоянии после прекращения действия входного импульса.

По мере зарядки конденсатора С напряжение u_R на резисторе R уменьшается. При u_R < U¹_пордальнейшее уменьшение u_R будет сопровождаться увеличением на­пряжения U₃на выходе ЛЭ2 и на втором входе ЛЭ1. Начнет действовать положительная ОС, которую можно представить следующей символической записью:

При u₃ > U¹_пор на обоих входах ЛЭ1 будет логическая единица, ЛЭ1 откроется и на его выходе напряжение уменьшится до логического нуля. Начнется разрядка конденсатора С через выходное сопротивление ЛЭ1 и диод VD. Напряжение u₂на входах ЛЭ2 станет меньше порогового U⁰_пори ЛЭ2 закроется. В таком состоянии устройство будет находиться до прихода следующего запускающего импульса.

Графики напряжений на входах и выходах логических элементов показаны на рис. 11.7, б. Они построены без учета задержек при переключениях одновибратора.

Одновибраторы на операционных усилителях.Прин­ципиальная схема одновибратора на ОУ (рис. 11.8, а)

Рис. 11.8. Схема одповибратора на ОУ (а) и графики напряжений на конденсаторе,

входе и выходе одновибратора (б)

отличается от схемы мультивибратора на ОУ (рис. 1 1.4, а)наличием диода VD, подключенного параллельно конден­сатору С. При указанном на схеме направлении включе­ния диода в исходном состоянии на выходе устанавли­вается минимальный (отрицательный) уровень напряже­ния U_{вых min}.

Диод VD, образующий с резистором R3 делитель выходного напряжения, оказывается включенным в пря­мом направлении, поэтому падение напряжения на нем близко к нулю и u_С = u^(–)_вх ≈ 0. Напряжение на неинвертирующем входе равно u⁽⁺⁾_вх = U_{вых min}R1 / (R1 + R2).

Графики напряжений, поясняющие работу одновибра­тора, приведены на рис. 11.8, б.

При поступлении на вход импульса положительной полярности с амплитудой, превышающей значение U_{вых min}R1 / (R1 + R2),напряжение на неинвсртирующем входе становится положительным. Под действием u⁽⁺⁾_вх> 0 напряжение на выходе также становится положи­тельным и, поступая на неинвертирующий вход через делитель R1R2, лавинообразно нарастает до максималь­ного значения U_{вых max}. Напряжение на неинвертирующем входе принимает значение

Под действием напряжения U_{вых max} конденсатор С начинает заряжаться через резистор R3. Диод VD вклю­чается в обратном направлении и на процесс зарядки влияния не оказывает. Пока u_С< u⁽⁺⁾_вхнапряжение

и_вых = U_{вых max}. При приближении u_Ск u⁽⁺⁾_вхОУ выходит из режима насыщения и при u_С> u⁽⁺⁾_вх под действием положительной ОС, осуществляемой через делитель R1R2, происходит второе «опрокидывание», в результате которого на выходе устанавливается минимальное на­пряжение U_{вых min}. Конденсатор начинает разряжаться через резистор R3 и R_вых ОУ. При достижении напряже­ния на конденсаторе нулевого уровня диод открывается и процесс разрядки конденсатора заканчивается.

Таким образом, на выходе одновибратора на ОУ фор­мируется положительный импульс с крутыми фронтами, длительность которого можно рассчитать по формуле

(11.6)

Если изменить направление включения диода, то из­менится полярность выходного импульса. При этом за­пуск одновибратора должен производиться входными импульсами отрицательной полярности.