Фиксирование уровня напряжения.

Для нормальной работы импульсных устройств необходимо, чтобы к началу каждого импульса, вырабатываемого схемой, или импульса, поступающего на её вход, напряжение на выходе этой схемы имело одну и ту же постоянную величину. Когда мы рассматривали работу переходной цепи, то речь шла об одиночном импульсе. На самом же деле через переходную цепь проходит периодическая последовательность импульсов (или любых других сигналов с переменной составляющей). При этом на переходном конденсаторе, связывающем отдельные каскады, происходит постепенное накопление электрических зарядов. За счёт этого на входе следующего каскада имеет место изменение начального уровня напряжения. В ламповых усилителях это приводит к «сползанию» рабочей точки в область малой крутизны анодно-сеточной характеристики, что нарушает режим работы каскада и в итоге приводит к уменьшению амплитуды выходных импульсов. То же самое происходит и в транзисторных усилителях (рис.2.8).

Рис.2.8. Изменение уровня постоянного напряжения на выходе переходной

цепи при передаче серии однополярных импульсов

 

Такое изменение начального напряжения на переходной цепи нежелательно, прежде всего, из-за его нестабильности (этот уровень устанавливается постепенно: он зависит от амплитуды импульсов на входе переходной цепи, длительности импульса и периода следования импульсов, а также от разных сопротивлений цепей заряда и разряда переходной цепи). Поэтому уровень напряжения на выходе переходной цепи подвержен как регулярным, так и случайным изменениям, и обеспечить его постоянство путём компенсации напряжением определенной величины невозможно, т.к. оно может сущест-венно повлиять на работу каскада усилителя или полностью его нарушить.

Постоянство уровня напряжения на выходе переходной цепи решается с помощью фиксаторов уровня. Фиксаторы уровня обеспечивают постоянный заданный уровень напряжения на выходе переходной цепи независимо от любых изменений параметров импульсов на её входе в любой момент времени. Влияние фиксатора уровня на работу схемы сводятся к резкому уменьшению постоянной времени цепи заряда или разряда переходного конденсатора, вследствие чего уже задолго до прихода очередного импульса в схеме устанавливается необходимый исходный режим. Чаще всего используются диодные фиксаторы. Диод, в зависимости от способа включения, уменьшает постоянную времени цепи заряда или разряда переходного конденсатора.

Действие фиксаторов основано на использовании свойств нелинейнойпереходнойцепи (когда ). Чаще всего применяются диодные фиксаторы уровня (рис.2.9).

Рис.2.9. Обобщённая схема фиксатора уровня

 

Фиксатор уровня состоит из диода Д и источника постоянного смещения Е. Диод подключён параллельно резистору R переходной цепи. Вследствие односторонней проводимости диод делает эту переходную цепь нелинейной

( ≠ ). В зависимости от полярности включения диод шунтирует сопротивление для тока заряда или разряда конденсатора С. При отсутствии источника смещения (Е) максимальное или минимальное значение напряжения фиксируется на нулевом уровне.

Источник смещения Е включается последовательно с диодом Д и резистором R, включённым параллельно диоду, так что напряжение на выходе фиксатора уровня будет Напряжение смещения Е определяет требуемое (отличное от нуля) значение начального уровня и, следовательно, постоянной составляющей . На работу диода и прохождение переменной составляющей входного напряжения и величина Е не влияет.

Рассмотрим некоторые типовые схемы диодных фиксаторов уровня. На рис.2.10. приведена схема фиксаторов нулевого уровня.

а) фиксатор нулевого уровняснизу

б) фиксатор нулевого уровнясверху

Рис.2.10. Фиксаторы нулевого уровня

 

В схеме рис.2.10, а во время действия положительного импульса диод Д заперт, и заряд конденсатора С происходит через резистор R с постоянной времени заряда , которая для получения минимальных искажений формы импульса выбирается из условия . В паузах между импульсами происходит быстрый разряд конденсатора С через прямое сопротивление диода (. В паузах конденсатор практически полностью разряжается и к началу следующего импульса . Так как в рассмотренном случае нулю был равен нижний начальный уровень входного напряжения, то фиксатор работает в режиме восстановления нулевого уровня снизу, т.е. восстановителя постоянной составляющей цепи.

При где ( – время паузы) фиксируемый уровень будет сохраняться при любых изменениях параметров входных импульсов (вплоть до изменения их полярности) и их начального уровня. При этом будет изменяться лишь постоянная составляющая напряжения на конденсаторе С.

Схема фиксатора нулевого уровня сверху приведена на рис.2.10, б. Здесь за время длительности импульса конденсатор С быстро заряжается через открытый диод Д, а в паузах между импульсами медленно разряжается через резистор R. Постоянная времени цепи заряда

Если , то конденсатор за время действия каждого импульса успевает практически полностью зарядиться до напряжения , в результате чего к концу каждого импульса напряжение на выходе схемы будет равно и = 0.

На рис.2.11 показана схема фиксатора положительного уровня снизу, которая отличается от схемы рис.2.10, а только включением смещения + Е.

Рис.2.11. Фиксатор положительного уровня снизу

 

В этой схеме при = 0 под действием напряжения конденсатор С заряжается через диод по цепи: донапряжения . При этом = . Так как смещение никакого влияния на работу диода не оказывает («минус» источника смещения отделён от катода диода конденсатором С), то при воздействии процессы заряда и разряда конденсатора будут происходить так же, как и в схеме рис. 2.10, а. Таким образом, > 0.

Если изменить полярность источника смещения и диода, то получим схему фиксатора отрицательного уровня снизу (рис.2.12).

При этом 0.

Рис.2.12. Фиксатор отрицательного уровня снизу

Интегрирующие цепи

Интегрирующей называется цепь, величина выходного напряжения которой пропорциональна интегралу по времени от величины входного напряжения.Математически это выражается следующей формулой:

…………………….. (2.10).

Интегрирующие цепи (ИЦ) могут быть двух видов: ёмкостные (RC) и индуктивные (RL). Схемы этих цепей показаны на рис.2.8.

В радиоэлектронике чаще всего применяются ёмкостные интегрирующие цепи. Интегрирующие цепи применяются в качестве сглаживающих фильтров блоков питания и в формирующих устройствах, где вырабатываются пилообразные или трапецеидальные напряжения. Покажем, что при определённых условиях RC - цепь, изображённая на рис.2.8, становится интегрирующей.

а) ёмкостная б) индуктивная

Рис.2.8. Виды интегрирующих цепей:

Известно, что напряжение на конденсаторе и ток, протекающий через него, связаны интегральной зависимостью:

…………………. (2.11).

Для простоты рассуждений будем считать, что начальный заряд конденсатора равен нулю.

Интегрирующая цепь представляет собой делитель напряжения, ток через который равен:

………………………… (2.12).

Подставив это выражение в (2.11), получим:

.

Если выбрать R >> x_c для высшей гармоники ω_в прямоугольного импульса,

, то и, следовательно, .

Тогда последнее выражение примет вид:

……………… (2.13).

Выражение (2.13) показывает, что чем точнее выполняется неравенство

, тем точнее выполняется условие интегрирования. Для выполнения этого условия необходима достаточно большая величина постоянной времени τ = RC. Поэтому для интегрирования всегда требуется выполнение неравенства τ >> τ_и.

Принцип действия интегрирующей цепи

Пусть на вход схемы воздействует идеальный прямоугольный импульс (т.е. τ_ф = τ_с = 0). Паразитные параметры схемы учитывать не будем. Внутреннее сопротивление источника сигнала R_i добавляется к достаточно большому сопротивлению цепи R, и его также учитывать не будем.

Эпюры напряжений на элементах интегрирующей цепи показаны на рис.2.9.

1. Исходное состояние схемы (t < t₁).

2. Первый скачок (t = t₁).

В этот момент на вход интегрирующей цепи подаётся прямоугольный импульс с амплитудой U_вх = Е. В соответствии с законом коммутации в момент t = t₁ напряжениена конденсаторескачком измениться не может. Ток через конденсатор увеличивается скачком, и всё входное напряжение падает на сопротивлении (так как при τ_ф = 0 ).

Рис.2.9. Эпюры напряжений на элементах интегрирующей цепи

 

 

3. Заряд ёмкости (t₁ < t < t₂).

После скачка начинается заряд ёмкости током, спадающим по экспоненте:

.

Напряжение на ёмкости нарастает по экспоненциальному закону:

4. Разряд ёмкости и восстановление исходного состояния схемы (t > t₂).

В момент t = t₂ импульс на входе прекращается, и конденсатор, заряженный до величины U_{С m}, начинает разряжаться. Отрицательный скачок тока в этот момент создаёт на сопротивлении R максимальное падение напряжения U_m = – Е. С этого момента конденсатор начинает разряжаться по экспоненциальному закону:

.

Окончание разряда наступает через (3…5) τ.

Таким образом, интегрирующая цепь вида RC на выходе даёт экспоненциально изменяющееся напряжение фронта и среза выходных импульсов. Ошибка интегрирования зависит от параметров цепи. Чем больше величина τ=RC, тем меньше отклонение выходного напряжения от линейного закона, тем точнее интегрирование входного напряжения, но тем меньше амплитуда напряжения на выходе интегрирующей цепи.

Существенное изменение формы входного импульса при интегрировании можно объяснить с помощью спектрального анализа. Действительно,

при τ >> τ_и реактивное сопротивление конденсатора большой ёмкости становится значительно меньшим величины R не только для высокочастотных гармоник, определяющих фронты импульса, но и для низкочастотных гармоник, формирующих его плоскую вершину. Поэтому бóльшая часть напряжения всех участков входного импульса падает на сопротивлении R, а не на выходе цепи.

Интегрирующие цепи часто используются для формирования пилообразных напряжений в измерительной технике, устройствах сравнения, радиолокации, в схемах временнóй задержки. Интегрирующая цепь является фильтром нижних частот.

Контур ударного возбуждения

В целом ряде случаев для формирования напряжений различной формы используется параллельный колебательный контур, состоящий из сосредоточенных параметров: ёмкости C, индуктивности L и сопротивления r. Во всех этих случаях используются свободные колебания контура, включённого в цепь транзистора. Колебания в контуре возбуждаются резким перепадом тока транзистора, который создаётся путём его запирания или отпирания. Такой способ получения колебаний получил название ударного возбуждения контура. Сам контур иногда называют «звенящим».

Как правило, напряжение, полученное при ударном возбуждении контура, подвергается дальнейшей обработке с помощью ограничителей амплитуды, дифференцирующих цепей, делителей частоты и других формирующих элементов.

Контур ударного возбуждения (КУВ) формирует пачки синусоидальных сигналов длительностью, равной длительности импульса на входе генератора. Существуют две разновидности генераторов с КУВ:

· генератор с КУВ в цепи коллектора;

· генератор с КУВ в цепи эмиттера.

Схема генератора с КУВ показана на рис.2.10, а эпюры напряжений на элементах контура – на рис.2.11.

В исходном состоянии транзистор открыт и насыщен, т.к. на его базу через резистор R₁ подаётся положительное напряжение от источника питания + Е_к. Через открытый транзистор протекает постоянный ток. Падение напря-жения на активном сопротивлении катушки ничтожно мало. Поэтому конденсатор контура практически не заряжен.

Ток коллектора, проходя через катушку индуктивности, создаёт в ней магнитное поле, в котором сосредоточивается энергия

.

В момент поступления на вход схемы отрицательного прямоугольного импульса (t = t₁) транзистор запирается, и ток коллектора прекращается. Однако в индуктивности ток сразу не прекращается, так как в магнитном поле имеется запас энергии, который скачком измениться не может.

Рис.2.10. Каскад с контуром ударного возбуждения в цепи коллектора

Рис.2.11. Эпюры напряжений на элементах контура ударного возбуждения

 

В результате этого в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, которая стремится поддержать ток в прежнем направлении. Этот ток контура, имеющий направление, показанное на рис.2.10, проходя через ёмкость, заряжает её таким образом, что на нижней обкладке конденсатора появляется положительный по отношению к верхней обкладке потенциал. Нижняя обкладка конденсатора присоединена к коллектору транзистора, а верхняя – по переменной составляющей – к эмиттеру (так как источник коллекторного питания Е_к блокируется конденсатором большой ёмкости). Поэтому первый полупериод напряжения получается положительным. По мере заряда конденсатора энергия катушки W_L постепенно переходит в энергию электрического поля W_c. К моменту, когда ток в контуре становится равным нулю, конденсатор заряжается до максимального напряжения, и вся энергия, накопленная ранее в магнитном поле катушки, сосредоточивается теперь в электрическом поле конденсатора:

.

После этого конденсатор начинает разряжаться на катушку, т.е. в колебательном контуре возникают свободные колебания.

Если параметры контура выбрать из условия << τ_и, то за время действия на входе импульса можно получить достаточно большое количество периодов колебаний.

Наличие в реальном контуре активного сопротивления приводит к потерям энергии, т.е. к затуханию колебаний (рис.2.11, б).

После окончания отрицательного импульса (t = t₂) транзистор открывается и насыщается. Контур вторично возбуждается положительным перепадом тока. Однако эти колебания быстро затухают, так как контур шунтируется открытым транзистором. Его малое внутреннее сопротивление в этот момент оказывается подключенным по переменной составляющей параллельно контуру. Энергия из контура быстро отбирается, и колебания в нём резко затухают.

Выходное напряжение каскада с КУВ представляет собой затухающее по экспоненциальному закону синусоидальное колебание

……………. (2.14),

где U_кm – максимальная амплитуда колебаний в контуре.

Частота ω₁ называется собственной частотой контура:

,

где ω₀ – резонансная частота контура (при α = 0);

α – коэффициент затухания:

.

Здесь R₀ – активное сопротивление контура, состоящее из сопротивления катушки R и пересчитанного в контур сопротивления ; r – входное сопротивление последующего каскада.

Кроме рассмотренной схемы с контуром в цепи коллектора, на практике часто применяется схема с контуром в цепи эмиттера (рис.2.12).

Эта схема отличается от схемы с контуром в цепи коллектора (рис.2.10), тем, что полярность первой полуволны напряжения, снимаемого с нагрузки эмиттера, будет отрицательной (рис.2.13).

Другим отличием этой схемы является то, что затухание колебаний при отпирании транзистора происходит быстрее, так как контур шунтируется очень малым выходным сопротивлением каскада, работающего в данном случае в режиме эмиттерного повторителя.

Очень часто генераторы с КУВ применяются для получения серий калибрационных отметок времени. Поэтому генераторы, показанные на рис.2.10 и 2.12, дополняются каскадами, компенсирующими затухание колебаний.

 

Рис.2.12. Каскад с контуром ударного возбуждения в цепи эмиттера

 

Рис.2.13. Эпюры напряжений на элементах генератора с КУВ

в цепи эмиттера

 

Схема генератора с КУВ, создающая серию незатухающих колебаний, показана на рис.2.14.

Рис.2.14. Схема генератора с КУВ с индуктивной обратной связью

 

Колебания, возникающие в контуре, через конденсатор C₂ подаются на базу эмиттерного повторителя VT₂, усиливаются им по мощности и без изменения фазы вводятся обратно в контур. Переменным сопротивлением R₃ регулируется энергия, передаваемая в контур от эмиттерного повторителя. Регулировкой этого резистора можно так скомпенсировать потери в контуре, чтобы на выходе получались серии синусоидальных колебаний постоянной амплитуды (рис.2.15). Конденсатор C₂ предотвращает соединение по постоянному току базы VT₂ с корпусом через катушку L_к, чем сохраняется выбранный режим базы.

Рис.2.15. Эпюры напряжений на элементахсхемы генератора с КУВ

при получении серии незатухающих колебаний

 

Ограничители амплитуды

Ограничители амплитуды принадлежат к классу нелинейных электрических цепей, основные особенности которых были рассмотрены в разделе 2.1 настоящей главы.

Ограничителем амплитуды называется устройство, напряжение на выходе которого следует за входным напряжением до определённого его значения (порога ограничения), после чего выходное напряжение остаётся постоянным или равным нулю.

Существуют три вида ограничения:

· ограничение по максимуму (ограничение сверху);

· ограничение по минимуму (ограничение снизу);

· двустороннее ограничение (одновременное ограничение сверху и снизу).

Верхним порогом ограничения Е_пв называется предельный уровень входного напряжения, выше которого выходное напряжение практически не зависит от входного.

Нижним порогом ограничения Е_пн называется предельный уровень входного напряжения, ниже которого выходное напряжение практически не зависит от входного. Пороги ограничения зависят от параметров и режима работы ограничителя. Они могут быть различными по величине и каждый из них может быть положительным, отрицательным или равным нулю.

На рис. 2.16. показаны положительный верхний и отрицательный нижний пороги ограничения, а на рис.2.17 – положительный нижний порог ограничения.

Рис.2.16. Напряжения на входе и выходе ограничителя с положительным

верхним и отрицательным нижним порогом ограничения

 

 

Рис.2.17. Напряжения на входе и выходе ограничителя при

положительном нижнем пороге ограничения

 

Таким образом, основным назначением ограничителей является изменение формы подводимого к ним входного напряжения путём «срезания» части этого напряжения. Следовательно, при ограничении происходит изменение спектрального состава входного напряжения, что возможно лишь при применении нелинейных цепей. Поэтому амплитудные ограничители должны представлять собой устройства с явно выраженной нелинейной ВАХ. В качестве нелинейных элементов чаще всего используются полупроводниковые диоды и триоды.