План лекции
1. Общие сведения.
2. Мультивибраторы.
3. Блокинг-генератор.
3.1. Принцип работы блокинг-генератора.
3.2. Порядок расчета блокинг-генератора.
4. Генераторы пилообразного напряжения.
4.1. Основные параметры генераторов пилообразного напряжения.
4.2. Разновидности схем транзисторных генераторов пилообразного напряжения.
5. Триггер на транзисторах.
Общие сведения.
Импульсная техника – раздел электроники, предметом которого является разработка теоретических основ, практических методов и технических средств генерирования, преобразования и измерения параметров электрических импульсов, а также исследование импульсных процессов в электрических цепях.
Наиболее часто в импульсных электронных устройствах используются импульсы прямоугольной (рис. 1,а), трапецеидальной (рис. 1,б), треугольной (рис. 1,в) и экспоненциальной (рис. 1,г) формы.
Рисунок 1
Импульсы, формы которых приведены на рис. 1,а…г, являются идеализированными. Форма реальных импульсов не является геометрически правильной из-за нелинейности характеристик полупроводниковых приборов и влияния реактивных сопротивлений в схемах. Поэтому реальные прямоугольные импульсы, наиболее часто используемые в практических импульсных схемах, имеют форму, приведенную на рис. 1,д. Участки быстрого нарастания и спада напряжения или тока называются фронтом и срезом импульса , а интервал, на котором напряжение или ток изменяются сравнительно медленно, - вершиной импульса .
Упрощенная форма реального прямоугольного импульса показана на рисунке 1,е. Спрямленные отрезки ab, bc, cd отображают соответственно фронт, вершину и срез импульса, а отрезки de и ef – нарастание и спад обратного импульса. Скорость нарастания напряжения или тока на рисунке 1,е характеризуется крутизной фронта импульса
а убывание напряжения или тока на вершине относительным снижением
Одним из важнейших показателей импульсных сигналов является длительность импульсов . Помимо указанного параметра τ а, определяющего активную длительность вершины на уровне 0,5U m , длительность импульса характеризует время t и, определяемое либо на уровне 0,1U m , либо по основанию импульса (рис. 1,е).
К основным параметрам импульсов относится период повторения импульсов Т – интервал времени между началом двух соседних однополярных импульсов. Величину, обратную периоду повторения, называют частотой следования импульсов f. Часть периода Т занимает пауза t п – отрезок времени между окончанием и началом двух соседних импульсов t п = T – t и.
Отношение длительности импульса к периоду повторения называется коэффициентом заполнения
Величина, обратная коэффициенту заполнения, называется скважностью импульсов
Качество работы импульсных устройств во многом определяется временем восстановления импульса t вос (рис. 1,е). Чем меньше t вос, тем надежнее работает схема, тем выше ее быстродействие.
Мультивибраторы
Одним из наиболее распространенных генераторов импульсов прямоугольной формы является мультивибратор, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. Одна из наиболее простых и типичных схем мультивибратора приведена на рис. 2. Элементы схемы подобраны так, чтобы обеспечить идентичность каждого из усилительных каскадов, собранных на однотипных транзисторах VТ1, VT2. При R1 = R4, R2 = R3, C1 = C2 и одинаковых параметрах транзистора мультивибратор называется симметричным.
Рисунок 2
Т.к. идеальной симметрии схемы практически невозможно, то любая, даже самая незначительная асимметрия мгновенно приведет к тому, что один из транзисторов закроется, а другой будет открыт и доведен до режима насыщения. Допустим, что по тем или иным причинам ток коллектора транзистора VT2 оказался несколько больше коллекторного тока транзистора VT1. Это приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R4 и снижению отрицательного потенциала на коллекторе VT2. Через конденсатор С2 изменение потенциала коллектора транзистора VT2 передается на базу транзистора VT1. Это приведет к уменьшению тока коллектора транзистора VT1 и к увеличению отрицательного потенциала на его коллекторе. Через С1 изменение потенциала коллектора транзистора VT1 передается на базу транзистора VT2, что вызывает дополнительное увеличение тока коллектора этого транзистора. Далее процесс повторяется, и в конечном итоге транзистор VT2 полностью откроется и войдет в режим насыщения, а транзистор VT1 закроется. Этот процесс протекает лавинообразно.
В режиме запирания транзистора VT1 конденсатор С1 заряжается по цепи: 0, участок эмиттер – база открытого транзистора VT2, С1, R1, -Eк. В то же время конденсатор С2 разряжается через открытый транзистор VT2 и резистор R3.
Переключение схемы из одного состояния в другое зависит от скорости заряда и разряда конденсаторов. По мере заряда конденсатора С1 положительный потенциал точки А все более нарастает, а по мере разряда конденсатора С2 положительный потенциал точки В все более снижается. В связи с этим потенциал базы транзистора VT2 постепенно повышается, а потенциал базы транзистора VT1 снижается. В определенный момент времени транзистор VT1 отопрется, начнется лавинообразный процесс нарастания тока этого транзистора, а транзистор VT2 запрется. Этот процесс переключения повторяется. Таким образом, транзисторы в мультивибраторе по очереди находятся или в режиме отсечки тока или в режиме насыщения и с каждого коллектора можно снять прямоугольные импульсы с амплитудой, почти равной величине напряжения питания источника. Схема будет генерировать импульсы (режим самовозбуждения ). Такой режим называется автоколебательным .
На рис. 3 приведены временные диаграммы токов, протекающих в транзисторах, и напряжений на коллекторах и базах транзисторов. Исходный момент t 0 соответствует тому случаю, когда транзистор VT1 заперт, а транзистор VT2 открыт. Моменты t 1 , t 2 , t 3 соответствуют переключению схемы.
Приведенная на рис. 2 схема получила название схемы с коллекторно-базовыми емкостными связями.
Рисунок 3
При расчете мультивибратора в автоколебательном режиме должны быть заданы: период следования импульсов Т; длительность импульсов t и; амплитуда импульсов U m ; длительность фронта τ ф; длительность среза τ с; время восстановления t вос; температура окружающей среды t окр (или допустимая температурная нестабильность мультивибратора σ Т в заданном диапазоне изменения температуры).
В результате расчета необходимо выбрать тип транзисторов и определить параметры элементов схемы.
1) Определяем напряжение источника питания
. (5)
Если напряжение источника питания задано и значительно превышает амплитуду импульсов U m , то можно расчет мультивибратора вести на бо́льшую амплитуду, чем задано, а импульсы снимать с помощью делителя напряжения в коллекторной цепи одного из транзисторов, как показано на рис. 4.
Рисунок 4
2) Выбираем тип транзисторов, параметры которых удовлетворяют условиям:
где U КБ max – максимально допустимое постоянное напряжение коллектор – база для выбранного типа транзистора;
f h 21э – предельная частота коэффициента передачи тока биполярного транзистора.
Если мультивибратор работает при повышенных температурах или от него требуется высокая температурная стабильность (σ Т < 5%), то выбирают кремниевые транзисторы; если допустимое значение σ Т > 5% - германиевые транзисторы.
При выборе транзисторов по их частотным свойствам, можно, кроме соотношения (7), руководствоваться следующими рекомендациями: если заданная длительность фронта τ ф не меньше (0,2 …),5)мкс, то могут быть использованы низкочастотные транзисторы; если же τ ф < (0,2 … 0,5)мкс – следует выбрать высокочастотные транзисторы.
3) Находим сопротивления резисторов R1 = R4 = Rк. При этом необходимо выполнить условие
, (8)
где I Ки max – максимально допустимый импульсный ток коллектора;
I КБ 0 – обратный ток транзистора.
Как правило, для маломощных транзисторов R к выбирают не менее (0,5 … 1) кОм, а для мощных – не менее (200 … 300) Ом.
4) Находим сопротивление резисторов R2 = R3 = R Б
где h 21э – коэффициент передачи тока;
К нас – коэффициент насыщения транзистора.
Коэффициент насыщения определяется из соотношения
. (10)
При К нас < 1 транзистор работает в ненасыщенном режиме, при К нас = 1 находится на грани насыщения, при К нас > 1 – в режиме насыщения.
Для обеспечения режима открытого транзистора при неглубоком насыщении выбирают К нас = 1…4.
В некоторых схемах симметричных мультивибраторов для регулировки периода автоколебаний в цепь баз транзисторов включают источник регулируемого напряжения (Е Б на рис. 5). Формула для определения периода генерируемых импульсов
, (11)
где R Б = R2 = R3; С = С1 = С2;
U Б m – часть напряжения, которая передается с коллекторов в цепи баз.
Рисунок 5
5) Определяем емкости конденсаторов С1 и С2. Для симметричного мультивибратора
. (12)
Для несимметричного мультивибратора
6) Находим время восстановления схемы
Как видно, для уменьшения t вос, т.е. для улучшения формы генерируемых импульсов, следует уменьшать величины R K и С. Однако с уменьшением емкости С уменьшаются длительность импульса и период колебаний. Для предотвращения этого необходимо увеличивать сопротивление резисторов R Б, но при этом ухудшается термостабильность схемы. Уменьшение R K также нецелесообразно, так как это приводит к увеличению тока насыщения транзистора и уменьшению перепада напряжения на коллекторе, что может нарушить самовозбуждение схемы. Поэтому, если полученное значение I вос оказалось больше заданного, в схему мультивибратора следует внести изменения. На рис. 6,а показана схема симметричного мультивибратора с корректирующими диодами.
Рисунок 6
В схеме ток заряда конденсаторов связи С1 и С2 замыкается не через коллекторные резисторы R1 и R4, а через вспомогательные резисторы R5, R6, что обеспечивается включением диодов VD1, VD2. Диоды не препятствуют развитию лавинообразных процессов нарастания и спадания токов транзисторов, но позволяют уменьшить постоянную времени заряда конденсаторов С1 и С2. Благодаря этому напряжение на коллекторе запертого транзистора после опрокидывания схемы устанавливается близким к –Ек намного быстрее (рис. 6,б), чем в основной схеме мультивибратора.
Блокинг-генератор
ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА
- устройства, предназначенные для генерирования и преобразования импульсных сигналов, а также сигналов, форма к-рых характеризуется быстрыми изменениями, чередующимися со сравнительно медленными процессами (паузами).
И. у. применяют в разл. радиоэлектронных устройствах и электронных системах, включая ЭВМ. Они входят в состав многих физ. приборов и установок, в частности связанных с физикой элементарных частиц: ускорителей, анализаторов и др. В эксперим. процессы в детекторах
частиц преобразуются в электрич. импульсы, к-рые затем подвергают временному и амплитудному анализу. При временном анализе устанавливают временные характеристики одиночных импульсов и потоков импульсов. Амплитудный анализ состоит в установлении распределения амплитуд импульсов (см. Амплитудный анализатор, Амплитудный дискр иминатор)
.
Импульсы
. В большинстве случаев в И. у. используют видеоимпульсы - кратковрем. униполярные изменения тока или , разделённые паузами (см. также Импульсный сигнал
).Различают след, элементы видеоимпульса: резкий подъём (фронт), медленно меняющуюся часть (вершину), быстрый спад
(срез), часто завершающийся длинным "хвостом". Иногда после фронта и среза наблюдаются быстро затухающие колебания (двусторонние выбросы). Параметры импульса: размах (амплитуда) А
, длительность t и, отсчитываемая на заранее обусловленном уровне (напр., 0,1A
, 0,5А)
, длительности фронта и среза. Последние обычно отсчитывают между уровнями (0,1-0,9)А
. Для нек-рых задач важным параметром является спад или подъём на вершине DA
. Если детальная конфигурация импульса не имеет существ, значения, форму видеоимпульсов идеализируют и говорят о прямоугольных, треугольных, трапецеидальных, колокольных (гауссовых) экспоненциальных и др. импульсах.
Помимо одиночных н нерегулярно следующих во времени потоков импульсов на практике используют периодпч. последовательности, к-рые дополнительно характеризуют периодом (ср. периодом) Т
пли частотой повторения F=T -1 . Важным параметром периодич. последовательности является скважность потока Q=T/t
и При генерировании мощных видеоимпульсов в промежутках между импульсами (в паузах) производится запасание энергии в накопителях, а её высвобождение - за время t и. При Qд1 в нагрузке реализуются огромные мощности, в Q
раз большие средней.
При передаче сообщений периодич. импульсная последовательность подвергается модуляции по периоду (частоте повторения), временному положению (фазе), амплитуде или длительности импульсов. Соответственно различают частотную, фазовую, амплитудную и временную импульсную модуляцию
. Существует также кодовая , когда исходное сообщение подвергается дискретизации во времени и квантованию по уровню; каждому полученному дискрету ставится в соответствие импульсный код: напр., группа импульсов, различающихся временными положениями отд. импульсов в группе или к--л. другим признаком. Модулиров. последовательности используют также при многоканальной радиосвязи, когда импульсы, принадлежащие отд. каналу, наделяют к--л. временным признаком (при кодовой модуляции такими признаками могут служить сами коды импульсов).
В радиоэлектронных устройствах (радиолокаторах, системах радионавигации, радиосвязи и др.) используют также радио им пульсы - пакеты кратковрем. эл--магн. высокочастотных колебаний, излучаемых антеннами радиопередающих устройств и улавливаемых радиоприёмником. Радиоимпульсы можно рассматривать как результат 100%-ной модуляции высокочастотного генератора радиопередатчика мощными видеоимпульсами.
Виды устройств
. В И. у. используют разл. схемы: дифференцирующие цепи
, импульсные трансформаторы, линии задержки и
формирующие линии, ключевые схемы, блокинг-генераторы
,регенеративные (релаксационные) схемы (мультивибраторы
,ждущие , генераторы пилообразного напряжения), триггеры
, схемы на туннельных диодах п др. При помощи этих основных схем осуществляется генерирование импульсов и последовательностей и разнообразные их преобразования, для чего применяют формирователи импульсов, кодировщики, временные селекторы, компараторы и др. схемы. Иногда к И. у. относят также усилители импульсов (видеоусилители), для к-рых характерны высокое быстродействие (широкополосность), достаточный динамич. диапазон и (в случае усиления слабых импульсных сигналов) малый уровень собств. шумов.
При конструировании и применении И. у. возникают две осн. задачи: обеспечение необходимого быстродействия и требуемой разрешающей способности. Скорость перехода И. у. из одного состояния в другое ограничивается инерционностью электронных элементов (диодов и транзисторов), а также наличием паразитных ёмкостей п индуктивностсй. Разрешающая способность
оценивается мин. временным интервалом между двумя импульсами или процессами, к-рые И. у. может воспринимать как раздельные. Для ИI. у. характерно "мёртвое" время, необходимое для восстановления рабочего состояния после очередного срабатывания устройства.
Осн. элементами И. у. являются микросхемы на полевых и биполярных транзисторах в интегральном исполнении, хотя встречаются схемы, выполненные на дискретных элементах (особенно в тех случаях, когда требуется очень высокое быстродействие). С совершенствованием технологии микросхем, уменьшением размеров отд. элементов и использованием новых материалов и технологии неуклонно возрастает быстродействие и разрешающая способность И. у. Время перехода из одного состояния в другое (время срабатывания) может достигать ~10 -10 с.
И. у. работают с аналоговыми сигналами, т. е. напряжениями и токами, непрерывно изменяющимися во времени. Однако полезные ф-ции нек-рых И. у. связаны с фиксацией лишь конечного числа внутр. состояний и определ. набором уровней на выходе без учёта времени перехода из одного состояния в другое, т. е. с их работой в качестве цифровых устройств (цифровых автоматов). К последним относятся разл. преобразователи, запоминающие устройства, регистры, счётчики импульсов, шифраторы, дешифраторы и др. Идеализация процессов в реальных устройствах, состоящая в пренебрежении временем переходных процессов, плодотворна, поскольку позволяет использовать для анализа цифровых устройств удобный для практики аппарат булевой алгебры. Однако при рассмотрении вопросов быстродействия, разрешающей способности и временного согласования работы отд. элементов в устройствах их приходится анализировать как И. у. с учётом переходных процессов.
Лит.:
Фролкин В. Т., Попов Л. Н., Импульсные устройства, 3 изд., М., 1980; Ицхони Я. С., Овчинников Н. И., Импульсные и цифровые устройства. М., 1973; Гольденберг Л. М., Импульсные устройства
, , М., 1981; Дмитриева Н. Н., Ковтюх А. С., Кривицкий Б. X., Ядерная электроника, М., 1982; Ерофеев Ю. Н., Импульсная техника, М., 1984.
Б. X. Кривицкий
.
ИМПУЛЬСНАЯ ТЕХНИКА, область радиотехники и электроники, охватывающая разработку и использование методов и средств генерирования, преобразования и усиления электрических импульсов, их измерения и индикации, а также исследование импульсных процессов в электрических цепях. Наиболее широко электрические импульсы - как одиночные, так и последовательности (серии) импульсов, образующих импульсные сигналы, - используются в системах автоматики, телемеханики и вычислительной техники, радиосвязи и радиолокации, телевидения и измерительной техники.
Импульсные сигналы, несущие информацию или управляющие работой электронных устройств, различаются по амплитуде, длительности и частоте следования импульсов, а также их взаимному расположению в серии. Большое значение в импульсной технике имеет скважность - отношение периода повторения импульсов одной серии к их длительности. Скважность, например, определяет отношение пиковой мощности импульсных сигналов к их средней мощности, что для многих импульсных устройств является важнейшим показателем работы.
Длительность импульсов в зависимости от области применения может изменяться в значительных пределах. В автоматике, например, оперируют с импульсами длительностью порядка 0,01-1 с, в импульсной радиосвязи - 10 -4 -10 -6 с, в вычислительной технике - до 10 -9 с. Часто даже в одной области техники применяют импульсы с различной длительностью и частотой следования. При воздействии импульсов тока или напряжения на электрическую цепь, обладающую свойством запасать энергию, возникают переходные процессы, значение которых в импульсной технике весьма велико. Явления, связанные с переходными процессами, часто используют в работе импульсных устройств, но в ряде случаев они оказывают вредное влияние и приводят к схемному и конструктивному усложнению аппаратуры. Специфичность методов и средств формирования, преобразования, измерения и регистрации импульсных сигналов и анализа процессов в импульсных устройствах обусловлены главным образом их нестационарностью.
Для импульсных сигналов характерна высокая концентрация энергии в небольших временных интервалах; например, мощность в радиоимпульсе, излучаемом радиолокационным передатчиком, достигает десятков МВт и более, что в несколько тысяч раз выше мощности, усреднённой за время передачи всей последовательности импульсов. Такая концентрация энергии позволяет решать многие задачи при передаче электрических сигналов, когда отклик на выходе системы пропорционален мощности сигнала на её входе. Мощные кратковременные электромагнитные импульсы широко применяются в физических исследованиях свойств материи, сопровождают природные явления. Воздействия электромагнитных импульсов приводят к нарушениям работы в первую очередь систем энергоснабжения, к помехам, перебоям в работе радиотехнических служб (связи, вещания, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и др.), радиоэлектронной аппаратуры.
Первые импульсные системы - искровые радиопередатчики для телеграфных и речевых сигналов - созданы А. С. Поповым в 1895 и 1903 годах соответственно. Бурное развитие импульсной техники с начала 1930-х годов связано, прежде всего, с зарождением и совершенствованием радиолокации и телевидения. В 1930-40-х годах были заложены основы формирования импульсов практически любой формы с помощью усилительных элементов - радиоламп, а также пассивных элементов - резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности; в 1950-х годах на смену радиолампам пришли транзисторы, позднее интегральные аналоговые микросхемы, всё шире стали применяться цифровые методы. В конце 20 века формирование импульсов аппаратным методом заменяется формированием вычислительными (программными) методами, позволяющими синтезировать импульсы заданной формы с необходимыми параметрами.
С. Л. Мишенков.
Импульсные устройства предназначены для генерирования, формирования, усиления, передачи, преобразования и измерения электрической импульсов. К ним относятся импульсные генераторы, импульсные трансформаторы, триггеры, мультивибраторы, счётчики импульсов и др. Импульсные устройства подвергаются прерывистому воздействию электрических сигналов, различающихся по форме, амплитуде и длительности, частоте следования, а также по расположению их в серии согласно избранному виду импульсной модуляции и некоторому условному коду. В импульсных устройствах используются одиночные импульсы и последовательности (серии) импульсов. В радиолокаторах, системах радионавигации, радиосвязи и т. п. импульсные сигналы имеют частотное заполнение от десятков Гц до десятков ГГц. С помощью импульсных устройств можно весьма точно фиксировать время воздействия импульсных сигналов, изготовлять бесконтактные электронные ключи. В логических схемах на импульсных устройствах используется чёткое разделение двух возможных состояний электронной схемы: «есть напряжение» - «нет напряжения» («да» - «нет»). Для выполнения логических операций разной сложности служат, например, дифференцирующие цепи и интегрирующие цепи, формирующие линии, импульсные трансформаторы и усилители, линии задержки, ограничители, фиксаторы уровня, пересчётные схемы, триггеры, мультивибраторы, блокинг-генераторы, импульсные делители частоты, селекторы импульсов, кодирующие устройства (и декодирующие), дешифраторы, матрицы, элементы памяти ЭВМ и др. С помощью соответствующих преобразований и логических операций над импульсными сигналами выделяют, анализируют, распознают и регистрируют полезную информацию, содержащуюся в обрабатываемых импульсах. Импульсные устройства широко применяются в радиоизмерительных приборах (частотомерах, осциллографах, анализаторах спектра, измерителях временных интервалов и др.).
Лит.: Ицхоки Я. С., Овчинников Н. И. Импульсные цифровые устройства. М., 1972; Ерофеев Ю. Н. Импульсные устройства. 3-е изд. М., 1989, Зельдин Е. А. Импульсные устройства на микросхемах. М., 1991; Фролкин В. Т., Попов Л. Н. Импульсные и цифровые устройства. М., 1992; Браммер Ю. А., Пащук И. Н. Импульсные и цифровые устройства. 8-е изд. М., 2006.
