Лекция 25. Импульсные устройства

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛАХ

Кроме напряжения синусоидальной формы в практике электротехники и электроники применяются напряжения других форм. Наиболее широко применяется импульсное напряжение. Импульсным называется прерывистое во времени напряжение (сигнал) любой формы. Под формой сигнала понимается закон изменения во времени напряжения или тока.

Широкое применение импульсных сигналов обусловлено рядом причин. Сочетанием импульсов и пауз легко передавать дискретную информацию. Импульсный сигнал оказался единственно приемлемой формой при создании радиолокации, он необходим для работы систем синхронизации, удобен для управления многими производственными процессами.

Импульсы применяются и для передачи непрерывной информации. В этом случае передаваемая информация может содержаться в значениях амплитуды, длительности или временного положения импульсов. Наличие пауз между импульсами позволяет уменьшить мощность, потребляемую от источника питания. Кроме того, во время паузы можно передавать информацию от других корреспондентов.

Наиболее широко применяются импульсы прямоугольной, пилообразной экспоненциальной и колокольной формы (рис. 25.1, а). Импульсы характеризуются

– амплитудой U_{m ,}

– длительностью τ_и,

– длительностью паузы τ_п,

– периодом повторения Т = τ_и + τ_n,

– частотой повторения F = 1/T,

– скважностью Q_u = T/τ_u.

В реальных устройствах прямоугольные импульсы характеризуются также длительностью фронта τ_фр и среза τ_ср. Фронт и срез определяют в течение нарастания или спада напряжения от 0,1 U_m до 0,9U_m.

2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ

Устройства, выполняющие обработку импульсных сигналов, называются импульсными устройствами. Среди различных импульсных устройств видное место занимают электронные ключи. Через идеальный разомкнутый ключ ток не протекает. Напряжение на идеальном замкнутом ключе равно нулю. Смена состояния ключа происходит под действием сигналов, подаваемых на один или нескольких входов.

Наиболее широкое применение в качестве электронных ключей нашел транзисторный каскад по схеме с ОЭ в классе усиления D (т.е. в ключевом режиме). Схема такого каскада приведена на рис. 25.1, б.

Рассмотрим работу схемы. В ключевом режиме транзистор может

находиться в одном из двух состояний – в состоянии отсечки или в состоянии насыщения.

В состоянии отсечки ключ разомкнут. Через транзистор протекает только малый обратный ток Iкэ₀. Напряжение на участке коллектор-эмиттер . Мощность, теряемая в транзисторе в режиме отсечки определяется произведением Р_отс = I_кэ0·U_к и мала, так как пренебрежимо мал ток I_кэ0.

Чтобы транзисторный ключ находился в разомкнутом состоянии, необходимо подать на базу отрицательное напряжение смещения, т.е. . Для этого часто применяют дополнительный источник смещения – Е_см и резистор R ₂ (эти элементы показаны на рис. пунктиром). При таком включении напряжение смещения создается двумя источниками Е_см и источником тока I_кэ0, т.е.

. (25.1)

Полагая U_б < 0, получаем:

,

откуда

. (25.2)

Когда транзистор находится в состоянии насыщения, электронный ключ замкнут. Через транзистор протекает ток насыщения, значение которого ограничивается резистором R_к. Пренебрегая малым напряжением насыщения, можем записать:

. (25.3)

Режим насыщения достигается при токе базы:

. (25.4)

Как и в режиме отсечки, мощность, теряемая в транзисторе в режиме насыщения, мала, потому что мало напряжение насыщения U_н.

Ток базы в режиме насыщения создается источниками напряжения U_ВХ и Е_СМ. При этом участок база - эмиттер транзистора можно считать закороченным. Поэтому

.

Условие насыщения (13.4) принимает вид

. (25.5)

Выражения(25.2), (25.3) и (25.5) позволяют выполнить расчет электронного ключа.

В настоящее время электронные ключи выпускаются в микросхемном исполнении. Например, микросхема К564КТ3 содержит четыре двунаправленных ключа, предназначеных для коммутации аналоговых и цифровых сигналов с током до 10 мА.

3. КОМПАРАТОРЫ

Компаратор – это устройство сравнения двух напряжений. Такие возможности приобретают ОУ в нелинейном режиме работы. Для анализа процесса сравнения обратимся еще раз к передаточной характеристике ОУ (рис. 25.2, а). Мы знаем, что ОУ работает в линейном режиме, если разность . Когда разность , выходное напряжение ограничено значением ± U_m.ВЫХ. Это означает, что транзисторы выходных каскадов ОУ работают в ключевом режиме. Значение U_m._ВЫХ лишь немного меньше Э.Д.С. источника питания E_n, поэтому на передаточной характеристике выделяют область положительного и отрицательного насыщения.

Для реальных ОУ значение ∆ U_гр не более нескольких мВ. При достаточно больших входных сигналах им можно пренебречь, полагая ∆U_гр≈0. Тогда при выходное напряжение . Наоборот, при выходное напряжение. Другими словами можно сказать, что выходное напряжение ОУ в нелинейном режиме зависит от того, какое из входных напряжений больше. Значит, ОУ в нелинейном режиме является схемой сравнения (компаратором).

Возможности применения ОУ как компаратора иллюстрируются графиками рис. 25.2, б.

Как следует из графиков, на прямой вход ОУ подано синусоидальное напряжение u_вх1(t), а на инвертирующий вход – постоянное положительное напряжение U_вх2. Компаратор переключается в момент равенства u_.вх1(t) = U_вх2. Выходное напряжение имеет прямоугольную форму. Значит, компаратор можно применять для преобразования синусоидального напряжения в напряжение прямоугольной формы, т. е. в импульсное напряжение.

По графикам легко увидеть, что длительность прямоугольных импульсов зависит от величины U_вх2. Изменяя величину U_вх2 от –U_m.вх1 до U_m.вх1, можно изменять длительность импульсов от 0 до Т, где Т – длительность периода u_вх1(t). Значит, компаратор можно применять в качестве преобразователя амплитуда – длительность.

Широкое практическое применение находит схема компаратора с положительной обратной связью (ПОС). Она приведена на рис. 25.3, а. Другое название схемы – триггер Шмитта. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход, а напряжение обратной связи – на прямой.

На рис. 25.3, б приведена передаточная характеристика компаратора. При большом отрицательном напряжении на инвертирующем входе ОУ U_вх << 0, напряжение на выходе максимальное положительное – U_вых = U_{вых. m}.

Напряжение на прямом входе ОУ U_пр формируется двумя источниками – U₀ и . Определим его методом суперпозиции, учитывая, что для

обоих напряжений цепочка R₁, R₂ выполняет роль делителя:

. (25.6)

Предположим, что напряжение на входе увеличивается. Компаратор будет находиться в режиме положительного насыщения U_вых = U_m.вых до тех пор, пока U_ВХ < U_пр. Значение U_пр выполняет роль порога срабатывания, поэтому его называют пороговым и обозначают U_П1.

Когда входное напряжение U_ВХ приближается по величине к напряжению U_П1 настолько, что , ОУ переходит в линейный режим. Напряжение на выходе уменьшается, т. е. получает отрицательное приращение -∆U_вых. Через делитель R₁, R₂ приращение поступает на прямой вход ОУ, уменьшая значение U_пр на величину:

. (25.7)

ОУ усилит это приращение, в результате чего напряжение на его выходе уменьшится еще больше, т. е. возникнет отрицательное приращение . Последнее, в свою очередь, еще больше уменьшит U_пр. Процесс развивается лавинообразно и завершается переходом ОУ в область отрицательного насыщения, когда . Таким образом, ПОС ускоряет процесс переключения компаратора. Такое ускоренное переключение получило название регенеративного процесса.

Так как U_ВЫХ после переключения изменило свой знак, то изменилось и значение U_пр, т. е. значение порога – U_П2, причем,

. (25.8)

Новое переключение компаратора произойдет только тогда, когда U_вх ≈ U_П2. Передаточная характеристика компаратора имеет вид петли гистерезиса. Ширина петли гистерезиса определяется отношением R₂ / R₁, а ее положение на оси абсцисс (оси U_вх) величиной U₀.

4. ФОРМИРУЮЩИЕ ЦЕПИ

При генерации импульсных сигналов различной формы необходимо формирование интервалов времени, задающих длительность импульсов и пауз, частоту повторения импульсов и т.п. Эта задача решается с помощью формирующих цепей, содержащих реактивные элементы. Наиболее простыми и надежными являются RC -цепи. Они разделяются на прямые и обращенные. Прямые RС- цепи применяются в качестве передаточных и дифференцирующих, а обращенные – в качестве интегрирующих цепей.

Схема прямой RC -цепи приведена на рис. 25.4, а. Рассмотрим работу цепи по графикам напряжений на ее входе и выходе (рис 25.4, б). При анализе процесса формирования напряжения на выходе RC -цепи будем полагать, что внутреннее сопротивление источника входного напряжения равно нулю, а сопротивление нагрузки – бесконечно большое.

Пусть в момент t= 0 на вход цепи (зажимы 1 -1^') поступает прямоугольный импульс амплитудой U_m и длительностью t_u. В начальный момент времени конденсатор С разряжен и ток в RC -цепи определяется только амплитудой импульса U_m и сопротивлением R. Поэтому на зажимах 2 - 2^' создается напряжение, равное максимальному . По мере заряда конденсатора С ток в цепи, а значит, и напряжение на выходе будут экспоненциально убывать:

, (25.9)

где t_ц = R×C [С] – постоянная цепи.

К моменту окончания импульса (когда t = t_u) выходное напряжение уменьшается до U_вых(t_u), причем,

. (25.10)

После окончания импульса напряжение на входе цепи U_вх = 0. Поэтому конденсатор С начинает разряжаться через источник U_вх и резистор R. Ток разряда создает на выходе цепи отрицательный перепад напряжения, причем,

где

. (25.11)

Передаточная цепь должна передавать импульс от входа к выходу цепи с возможно меньшими искажениями его формы. Искажение формы оценивают максимальным относительным снижением вершины выходного импульса.

.

Из выражения (25.11) следует, что D U тем меньше, чем больше U_вых(τ_u), а U_вых(t_и) тем больше, чем меньше отношение t_u / t_ц. Если требуется, чтобы максимальное относительное снижение вершины импульса не превышало 1%, то постоянная времени цепи t_ц должна превышать длительность импульса t_u не менее чем в 100 раз. Таким образом, чтобы цепь, приведенная на рис. 25.4, а стала передаточной, необходимо выполнить условие

(25.12)

Так как емкость С рассматриваемой цепи не пропускает на выход постоянную составляющую источника питания, то за цепью закрепилось еще одно название – разделительная цепь.

Дифференцирующая цепь предназначена для деления импульсов или для выделения их фронта и среза. Эта задача обратная ранее рассмотренной. Она решается тем лучше, чем больше отношение t_u / t_ц. Реально t_u / t_ц ≈ (10 ÷ 100). Выходное напряжение представляет два биполярных импульса, совпадающих во времени с фронтом и срезом входного сигнала (рис. 25.4, б). Амплитуда биполярных импульсов затухает экспоненциально в соответствии с (25.9). Длительность этих импульсов оценивается на уровне 0,05 U_m произведением t_вых» 3 t_ц. Подбором t_ц ее можно сделать сколь угодно малой.

Схема обращенной RC - цепи приведена на рис. 25.5, а. Работа этой цепи иллюстрируется графиками напряжений на рис. 25.5, б. При поступлении на вход такой цепи (зажимы 1 - 1^') прямоугольного импульса выходной сигнал нарастает по экспоненциальному закону,

. (25.13)

Время, необходимое для нарастания выходного сигнала до уровня 0,9U_m, составляет 2,3 t_ц, а до уровня 0,99 U_m – 4,6 t_ц.

По окончании входного сигнала напряжение на выходе обращенной цепи убывает также по экспоненциальному закону:

,

где

.

На начальном участке выходное напряжение изменяется по закону, близкому к линейному. Этот участок часто используется для линейного накопления напряжения сигнала, поэтому рассматриваемая цепь получила название интегрирующей. Чтобы цепь работала как интегрирующая, отношение t_u/t_ц должно быть значительно меньше единицы.

6. ТРИГГЕРЫ

Триггер – это устройство, имеющее два устойчивых состояния, спо-

собное под воздействием управляющего сигнала скачком переходить из одного состояния в другое и хранить это состояние сколь угодно долго. Такие свойства позволяют использовать триггеры в качестве элементов памяти, для деления частоты следования управляющего сигнала, для счета импульсов, для формирования прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы, для сравнения напряжений и т. д.

Для построения триггеров могут использоваться туннельные диоды, тиристоры, транзисторы и логические элементы. В лекции рассмотрим триггеры на биполярных транзисторах.

Условные обозначения триггеров на транзисторах приведены на рис. 25.6. Они имеют один или несколько входов и два выхода. Один из выходов называется прямым и обозначается . Другой выход называется инверсным и обозначается . Когда на прямом выходе устанавливается высокий уровень напряжения (близкий к напряжению источника питания), на инверсном выходе устанавливается низкий уровень(близкий к нулю). Условно высокий уровень напряжения обозначают “ 1 ”, а низкий – “ 0 ”.

Различаются триггеры способом управления (запуска). Триггер с раздельным запуском (рис.25.6, а) имеет два входа – S и R. Управляющие сигналы (импульсы тока или напряжения) поступают на эти входы от раздельных источников. При поступлении управляющего сигнала на вход S (set – установка единицы) триггер устанавливается в состояние “ 1 ”, при котором = 1, а = 0. При поступлении управляющего сигнала на вход R триггер устанавливается в состояние “ 0 ”, при котором = 0, а = 1.

Если к моменту поступления управляющего сигнала на вход S, триггер уже находился в состоянии “ 1 ”, то его состояние не изменится. При раздельном запуске триггер срабатывает от каждого управляющего сигнала только тогда, когда они поступают на входы S и R поочередно. Сокращенное название триггера – RS – триггер.

Триггер с общим запуском (рис. 25.6, б) имеет один вход – Т. Управляющие сигналы поступают на этот вход, а триггер срабатывает от каждого сигнала, изменяя свое состояние на противоположное. Сокращенное название триггера – Т – триггер.

Триггер с комбинированным запуском (рис. 25.6, в) имеет три входа S, R и Т. Триггер допускает как раздельный, так и общий запуск. Сокращенное название – RSТ – триггер.

Схема триггера с раздельным запуском на биполярных транзисторах p - n – p типа приведена на рис. 25.7. Схема состоит из двух транзисторных ключей. Выход ключа на транзисторе Т₁ соединен со входом ключа на транзисторе Т₂. Выход ключа на транзисторе Т₂ соединен со входом ключа на транзисторе Т₁. Так замыкается петля ПОС.

Рассмотрим работу схемы, используя графики токов и напряжений рис. 25.8.

На временном интервале от 0 до t₁ схема находится в исходном состоянии. Предположим, что в исходном состоянии = 0, = 1. При этом транзистор Т₁ открыт и насыщен, напряжение U_кэ1 = U_кн ≈ 0. Транзистор Т₂ закрыт и U_кэ2 ≈ -Е_к. Высокий отрицательный потенциал - U_кэ2 через делитель R₁, R_б1 приложен к базе транзистора Т₁ и поддерживает его в открытом состоянии. В цепи базы протекает ток I_б1 = I_бн. В базе транзистора накоплен большой избыточный заряд носителей.

На базу транзистора Т₂ действует незначительный отрицательный потенциал - U_кэ1 и положительный потенциал Е_б. Так как | Е_б | > | U_кэ1 |, то транзистор Т₂ поддерживается в закрытом состоянии. Таким образом, состояние транзистора Т₁ поддерживает состояние транзистора Т₂ и наоборот. Схема находится в устойчивом состоянии до воздействия управляющего сигнала.

Пусть в момент t₁ в базу транзистора Т₁ подан управляющий сигнал – импульс тока I_вх. Если выполняется условие | I_вх | > | I_б1 |, то ток базы Т₁ меняет знак, но транзистор остается открытым до момента времени t₂. На интервале времени t₂ – t₁ происходит рассасывание избыточного заряда базы Т₁. Если управляющий сигнал достаточно сильный, то интервал рассасывания τ_р определяется выражением

где S = β·I_б / I_кн – коэффициент насыщения транзистора, τ = 1 / 2π·f – время

пролета неосновных носителей заряда через базу.

С момента t₂ начинает убывать коллекторный ток транзистора Т₁, а | U_кэ1 | увеличивается. Транзистор работает в активном режиме. Отрицательное приращение напряжения - ∆U_кэ1 через делитель R₂, R_б2 передается на базу транзистора Т₂. Это приводит к уменьшению напряжения U_б2. В момент времени t₃ напряжение U_б2 достигает уровня отпирания транзистора Т₂ – U_б0. Интервал времени t₃ – t₂ называется интервалом подготовки к отпиранию t_п. Его длительность определяется выражением

С момента t₃ оба транзистора работают в активном режиме. В схеме возникает лавинообразный (регенеративный) процесс опрокидывания, когда запирается транзистор Т₁ и отпирается Т₂. Увеличение |- U_кэ1 | приводит к росту |- U_б2 | и к уменьшению U_кэ2. Это вызывает увеличение напряжения U_б1 и более глубокое запирание транзистора Т₁. Длительность регенеративного процесса t_рег имеет порядок τ. Он завершается в момент t₄, когда Т₁ закрыт, а Т₂ открыт. Управляющий сигнал больше не нужен. Будем полагать, что его срез соответствует моменту времени t₄. Окончание управляющего сигнала приводит к скачку тока базы I_б1 до I_к0.

После завершения лавинообразного процесса начинается установление нового состояния триггера. Длительность этапа установления определяется скоростью перезаряда конденсаторов С₁ и С₂. До запуска схемы конденсатор С₁ был заряжен до напряжения, близкого к Е_к. Теперь он разряжается через резистор R₁ и по цепи R_б1, Е_б, эмиттер – коллектор Т₂. Конденсатор С₂ до запуска схемы был разряжен. На этапе установления он заряжается. Ток заряда протекает от + Е_к, через корпус, переход эмиттер – база Т₂, С₂, R_к1, к - Е_к. Скорость перезаряда определяется значением постоянной цепей перезаряда. Этап установления завершается в момент времени t₅ и обозначается t_у.

После окончания этапа t_у схема готова к приему следующего управляющего сигнала. Сумма

T_мин = τ_р + t_п + t_рег + t_у

определяет минимальный временной интервал между управляющими сигналами, при котором обеспечивается надежное срабатывание триггера.

Схема триггера, приведенная на рис. 25.9, отличается от рассмотренной ранее типом транзисторов, связями между их базами и коллекторами и числом входов. Это обусловливает существенные отличия в принципе работы триггера.

При замыкании ключа К положительный потенциал источника питания + Е_к через резистор R_к1 подается на базу транзистора Т₂ и открывает его. Транзистор Т₁ закрыт. Если напряжение на входе отсутствует U_вх = 0, то это состояние (назовем его исходным) может сохраняться как угодно долго.

Триггер изменяет свое состояние под воздействием положительного управляющего сигнала на базу транзистора Т₁. В новом состоянии транзистор Т₁ открыт и насыщен, а транзистор Т₂ закрыт. Чтобы вернуть триггер в исходное состояние, нужно выключить и вновь включить источник питания. Схема может быть полезной для управления временем начала (момент включения Е_к) и прекращения какого - либо процесса по управляющему сигналу.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

25.1. Приведите примеры применения импульсных сигналов для решения практических задач.

25.2. Перечислите основные параметры импульсных сигналов, приведите известные соотношения для их оценки.

25.3. Докажите, что мощность, потребляемая электронными ключами, пренебрежимо мала.

25.4. Рассчитайте элементы R₁, R₂ и R_к для схемы рис. 25.1, б, если известно, что Е_к = 10 В, Е_СМ = 1,5 В, U_вх = 2, 5 В, β = 40 – 100, I_кэо = 50 мкА, I_кн = 9,5 мА.

25.5. В схеме триггера Шмитта по рис. 25. 3, а определите U₀, при котором | U_п1 | = | U_п2 |.

25.6. На вход прямой RC цепи поступает прямоугольный импульс τ_и = 10^-3 С. Определите значение С, при котором цепь будет передавать импульс с минимальными искажениями, если R = 10 кОм.

25.7. Определите значение С, при котором прямая RC цепь будет дифференцировать импульс, если R = 10 кОм.

25.8. Приведите условные схемные обозначения триггеров. Определите назначение их входов и выходов.

25.9. Определите требования к амплитуде и длительности управляющего сигнала триггера по схеме рис. 25.7.

25.10. Триггер по схеме рис. 25.9 имеет один вход. Почему его относят к классу RS триггеров?