Тема 14. Аналоговые и цифровые элементы и устройства.

Аналоговые и цифровые устройства работают соответственно с аналоговыми и цифровыми сигналами. Природа аналоговых сигналов заключается в том, что многие физические величины могут принимать любые значения и непрерывный сигнал, отображающий эту информацию, может иметь большое число значений. В этом случае непрерывный сигнал, который изменяется аналогично исходной информации, называется аналоговым.

Непрерывные сигналы можно представлять и в дискретной форме. И для этого непрерывного сообщения применяют квантование по уровню и времени. Для квантования сигнала по уровню непрерывный сигнал (ток или напряжение) заменяют набором дискретных значений из представленного интервала. Квантование по времени заключается в замене непрерывного сигнала чередующимися импульсами, которые следуют через определенные интервалы времени.

Это и есть цифровой сигнал.

Механический ключ (аналоговый коммутатор).

Ключевая схема (рис 14-1) предназначена для коммутации тока в нагрузке и содержит источник напряжения питания, нагрузку (R) и ключ (Кл). Полупроводниковый ключ подобен механическому выключателю.

Рис 14-1. Аналоговый коммутатор(механический ключ).

 

Если ключ идеален, то есть его сопротивление в разомкнутом состоянии бесконечно велико, а в замкнутом равно 0, то ток в цепи при разомкнутом ключе I=0, а при замкнутом I=E/R.

Аналоговый коммутатор на биополярном транзисторе (электронный ключ).

На рисунке 14-2 показана схема коммутатора на биополярном транзисторе.

Рис. 14-2 Схема аналогового коммутатора на биополярном транзисторе.

Для перевода транзистора в режим отсечки следует подать на базу отрицательное напряжение и на выходе U_вых = 0 (выключено). Чтобы открыть VT следует на вход подать напряжение больше, чем напряжение отсечки на величину ΔU=I₁R₁ и переход коллектор-база откроется и VT будет работать как ключ в инверсном включении.

Диодный коммутатор (аналоговый ключ).

Если на вход подать положительное напряжение (рис 14-3) VD открывается и через него протекает ток (включено), а при отрицательном напряжении, подаваемом на вход, через диод идет незначительный ток(отключен). Диодный коммутатор подобен механическому ключу.

Рис 14-3. Схема последовательного диодного ключа.

Цифровой электронный ключ на биполярном транзисторе (рис 14-4).

 

 

Рис 14-4. Схема цифрового ключа на биполярном транзисторе(а) входная статистическая характеристика VT(б).

 

В схеме цифрового ключа (рис 14-4), транзистор, работающий в ключевом режиме, должен находится только в определенном состоянии. Первое состояние соответствует точке 1 на выходных статистических характеристиках транзистора(рис 14-4 б) когда Uвх=0, транзистор закрыт и устанавливается это состояние резистором R1. При этом ток коллектора также равен 0 и Uвых=Ек. Второе состояние транзистора соответствует точке 2, которое обеспечивается подачей на вход высокого положительного напряжения и при этом Uвых=0. В этом случае коллекторный ток достигает максимального значения (Ik=Ek/Rk). Так работает цифровой ключ на биполярном транзисторе. Следует заметить, что в настоящее время находят применение цифровые ключи на полевых транзисторах, которые в изготовлении проще, чем на биполярных транзисторах.

РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА

Принципы построения и режим работы регенеративных импульсных устройств.

На вход различных импульсных устройств часто требуется подать импульсы напряже­ний прямоугольной формы или крутые перепады напряжений. Крутые перепады напряже­ний (токов) могут создаваться в результате возникновения регенеративных процессов.

Регенеративными называются процессы, протекающие лавинообразно под воздейст­вием положительной обратной связи.

Регенеративными импульсными устройствами называются устройства, в которых в ре­зультате регенеративных процессов возникают крутые перепады напряжений и токов. В этих устройствах используют усилители с положительной обратной связью. По построе­нию и назначению регенеративные импульсные устройства делятся на две группы: муль­тивибраторы и триггеры.

. Мультивибраторы на биполярных транзисторах (рис.14-6)

Мультивибратор это генератор, вырабатывающий импульсы прямоугольной формы.

Рассмотрим мультивибратор на биполярных транзисторах V и V . Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми связями представляет собой двухкаскадный усилитель.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.14-6 Схема мультивибратора в режиме автоколебаний.

и - обеспечивают ПОС;

и - резисторы, которые осуществляют подачу напряжения смещения на базы V и V ;

Схема симметрична и и V и V одного типа. Каждый транзистор работает в режиме ключа, т.е. переходит от отсечки к насыщению и наоборот.

заряжается по контуру , а - по контуру . На базы V и V от через и подается отрицательное смещение, поэтому и будут работать в активном режиме. При малейшем нарушении симметрии в цепи наступает самовозбуждение. Предположим, что в какой-то момент скачком окажется больше , т.е. > . Тогда возрастает и станет менее отрицательным, следовательно, тоже станет менее отрицательным (т.к. напряжение на по второму закону коммутации скачком измениться не может) и подзакроется и уменьшится. Уменьшение приведет к уменьшению и станет более отрицательным, следовательно, станет более отрицательным, V еще больше откроется и еще больше возрастет. Это закончится тем, что транзистор V войдет в режим насыщения, а V - в режим отсечки. Этот процесс называют лавинообразным (регенеративным). Он происходит очень быстро. Во время лавинообразного процесса формируются крутые фронты импульса (аб).рис 14-7)

t

а

 

б

 

 

t

а

 

б

 

Рис 14-7 эпюры напряжений на выходе мультивибратора

Лавинообразный процесс прекращается после того, как V войдет в режим насыщения, а V - в режим отсечки. Тогда , а .

В схеме наступает состояние квазиустойчивого равновесия, во время которого формируются плоские вершины (см. графики) импульсов.

Режим насыщения V поддерживается отрицательным смещением на базе от через , а режим отсечки V поддерживается положительным потенциалом .

При этом заряжается по контуру: с постоянной времени зарядки , а перезаряжается по контуру: с постоянной времени перезарядки.