Глава 3. Генерирование импульсов

Общие сведения о релаксационных генераторах

В импульсной технике генерирование импульсов осуществляется с помощью генераторов релаксационных колебаний. Колебания, в которых медленные изменения напряжения чередуются со скачкообразными, называются релаксационными.

Релаксационным называют генератор, вырабатывающий негармонические электрические колебания (импульсы) в результате быстрого высвобождения энергии, запасённой от источника постоянного тока. Такое преобразование энергии источника постоянного тока в энергию электрических колебаний происходит и в генераторах синусоидальных (гармонических) колебаний. Однако если в генераторе синусоидальных колебаний LC - типа происходит непрерывный обмен энергией между индуктивностью и конденсатором контура и за один период расходуется небольшая часть энергии, полученной от источника, то в релаксационном генераторе в течение одной части периода энергия запасается в реактивном элементе только одного типа (обычно в конденсаторе), а в другую часть периода выделяется на резисторах схемы в виде теплоты. Усилительный элемент в данном случае работает в ключевом режиме, переключая конденсатор с режима заряда на разряд и обратно.

Как и в генераторах синусоидальных колебаний, работа релаксационного генератора возможна при соблюдении следующих условий:

· Баланс амплитуд. Это условие реализуется, если коэффициент усиления усилительного элемента будет больше единицы.

· Баланс фаз. Это условие реализуется, если с выхода усилительного элемента на его вход будет подаваться сигнал с фазой, равной фазе входного сигнала, что возможно только при наличии положительной обратной связи. Однако если для генератора синусоидальных колебаний баланс фаз соблюдается лишь для одной частоты (резонансной), то для релаксационного генератора баланс фаз осуществляется для всех гармоник, входящих в спектр импульса.

· Наличие глубокой положительной обратной связи.

Только при этом условии возможны скачки напряжения и тока.

Релаксационные генераторы могут работать в трёх режимах:

1. Автоколебательном;

2. Ждущем (режим внешнего запуска);

3. Автоколебательном с внешней синхронизацией.

Кроме того, релаксационные генераторы могут работать в режиме деления частоты (разновидность режима синхронизации).

К релаксационным генераторам относятся генераторы прямоугольных и пилообразных импульсов. Прямоугольные импульсы вырабатывают мультивибраторы, спусковые схемы, триггеры и блокинг-генераторы.

 

Мультивибратор

Мультивибратор – это релаксационный автогенератор с RC - связью, генерирующий прямоугольные импульсы. Мультивибраторы выполняют на операционных усилителях, цифровых интегральных схемах, а также на дискретных компонентах. В последнем случае в качестве активных элементов обычно используются транзисторы.

По схеме мультивибратор представляет собой двухкаскадный апериодический усилитель с глубокой положительной обратной связью, у которого выход первого каскада связан с входом второго и наоборот. Такое соединение каскадов создаёт условия для возникновения релаксационных колебаний, т.к. при этом выполняются все три условия их возникновения.

Мультивибраторы используются для получения прямоугольных импульсов большой длительности (до сотен микросекунд), из которых в дальнейшем формируются импульсы с необходимой длительностью, амплитудой и периодом повторения. Если параметры обоих плеч одинаковы, то такой мультивибратор называется симметричным.

Схема симметричного мультивибратора показана на рис.3.1.

Рис.3.1 Принципиальная схема симметричного мультивибратора

 

Работа схемы.

Предположим, что при включении напряжения питания + Е_к через транзисторы VT₁ и VT₂ будут протекать абсолютно одинаковые токи, а на коллекторах транзисторов установятся одинаковые напряжения:

U_к1 = U_к2 =U_к= Е_к – І_к·R_к

Следовательно, конденсаторы C₁ и C₂ будут заряжены до одинакового напряжения U_к. Однако равенство коллекторных токов бесконечно долгим оставаться не может, так как во всякой реальной цепи всегда возникнет некоторое неравенство (пусть очень малое) токов из-за наличия флуктуаций.

Допустим, что в результате этих флуктуаций ток через транзистор VT₂

в какой-то момент времени возрос на Δi_к2. Это приведёт к следующему процессу:

+ Δi_к2→ – ΔU_к2 → – ΔU_б1 → –Δi_б1→ –Δi_к1 → + ΔU_к1 → + ΔU_б2 →

→ + Δi'_к2> + Δi_к2.

Так как каждый последующий скачок напряжения на базе больше предыдущего (за счёт усилительных свойств транзисторов), то описанный процесс нарастает лавинообразно и, спустя доли микросекунды, транзистор VT₂ окажется открытым. Поскольку оба транзистора являются усилителями с коэффициентом усиления, большим единицы, то Δi'_к2> Δi_к2. Отсюда видно, что возникла и замкнулась цепь положительной обратной связи. Возникновение цепи положительной обратной связи приводит к появлению лавинообразного процесса, в результате которого транзистор VT₂ полностью открывается, а VT₁ запирается и переходит в режим отсечки коллекторного тока.

С этого момента мы и начнём рассмотрение процессов в симметричном мультивибраторе. Эпюры напряжений на элементах схемы показаны на рис.3.2.

1. Первый скачок (опрокидывание схемы), t = t₁:

VT₂ открывается, VT₁ запирается. За время скачка (будем считать его практически мгновенным) напряжения на конденсаторах C₁ и C₂ не изменились. При этом U_к1 = + Е_к; U_к2 = U_к0. Однако в этом состоянии схема не может оставаться сколь угодно долго.

2. Промежуток времени t₁ < t < t₂:

В этот промежуток времени начинается заряд C₁ и разряд C₂.

Заряд C₁ происходит по цепи:

+ Е_к→R_к1→C₁→ (Б – Э)VT₂→ корпус (–Е_к).

Этот процесс происходит быстро, т.к. заряд C₁ происходит через открытый промежуток база-эмиттер VT₂. Разряд C₂ происходит по цепи:

+ C₂→ (К – Э)VT₂→ корпус (–Е_к) → +Е_к → R_б1 → –C₂

Разрядный ток C₂ будет значительно меньше тока заряда C₁, т.к. в цепи разряда C₂ включено большое сопротивление R_б1. Ток разряда C₂ уменьшается по экспоненциальному закону.

Рис.3.2. Эпюры напряжений на элементах схемы мультивибратора

 

По мере разряда C₂ падение напряжения на R_б1 будет уменьшаться в силу уменьшения тока разряда по абсолютной величине:

Напряжение на базе U_б1 отрицательное, а потому поддерживает VT₁ в запертом состоянии до тех пор, пока U_б1 не станет примерно равным нулю. Пока VT₁ находится в запертом состоянии, напряжение на его коллекторе

U_к1 = + Е_к, а U_к2 = U_к0. Таким образом, в этот промежуток времени формируется плоская вершина импульса на коллекторе VT₁.

3. Второй скачок (обратное опрокидывание схемы), t= t₂:

Как только напряжение на базе VT₁ примет значение U_б1≈ 0 В, происходит второй скачок (опрокидывание схемы). В этот момент в транзисторе VT₁ появляется ток. Вновь возникает положительная обратная связь, которая вызывает развитие лавинообразного процесса:

+Δi_к1 → –ΔU_к1 → – ΔU_б2→ –Δi_к2→ + ΔU_к2 → + ΔU_б2→

→ +Δi'_к1 > +Δi_к1.

В результате этого процесса VT₁ отпирается, а VT₂ запирается.Во время возникновения и протекания лавинообразного процесса оба транзистора оказываются открытыми. На коллекторе VT₁ формируется отрицательный скачок напряжения, а на коллекторе VT₂ – положительный скачок.

4. Восстановление исходного состояния схемы, t₂ < t < t₃:

В этом промежутке времени происходит разряд конденсатора C₁

и заряд C₂ по цепям:

а) разряд C₁:

+ C₁ → (К – Э)VT₁ → корпус (–Е_к) → +Е_к → R_б2 → – C₁;

б) заряд C₂: +Е_к → R_к2 → C₂ → (Б – Э)VT₁→ корпус (–Е_к).

Далее процесс происходит так, как это описано в этапах (2) … (4),

только C₁ и C₂ меняются ролями.

В результате работы симметричного мультивибратора на коллекторах VT₁ и появляются прямоугольные импульсы. Длительность этих импульсов

определяется параметрами схемы. Последовательность импульсов симметричного мультивибратора называется «меандр».

Условиями самовозбуждения симметричного мультивибратора являются:

· Коэффициент усиления каждого плеча: к₁ > 1; к₂ >1,

т.е. к₁·к₂ = к² > 1. Это условие реализует требование баланса амплитуд в автогенераторе.

· Глубокая положительная обратная связь. Это условие реализует требование баланса фаз в автогенераторе.

Мультивибраторы собираются по схеме с положительной базой, если применяются транзисторы структуры n-р-n, и с отрицательной базой, если применяются транзисторы структуры р-n-р. Это можно объяснить следующим.

Если бы резисторы в цепях базы были подключены к корпусу (такая схема называется схемой с нулевой базой), то при перезаряде конденсаторов напряжение на базе соответствующего транзистора стремилось бы к нулю. При этом скорость изменения напряжения на базе вблизи момента отпирания транзистора была бы невелика. Это приводит к нестабильности периода повторения формируемых колебаний из-за разброса параметров транзисторов (рис.3.3, верхний график).

Подключение баз транзисторов к источнику коллекторного питания Е_к обеспечивает бóльшую скорость перезаряда времязадающих конденсаторов, т.к. экспонента напряжения перезаряда в этом случае стремится к напряжению Е_к. Это позволяет уменьшить влияние разброса параметров транзисторов и получить более стабильный период повторения колебаний (рис.3.3, нижний график).

 

 

Рис.3.3. Влияние скорости перезаряда конденсаторов на стабильность

периода колебаний мультивибратора:

при схеме с нулевой базой (верхний график);

при схеме с положительной (отрицательной) базой (нижний график).

 

3.3. Ждущий мультивибратор

Для автоколебательного режима работы мультивибратора характерно отсутствие устойчивого состояния, вследствие чего схема непрерывно генерирует импульсы.

В ряде случаев необходимо получать одиночные импульсы в определённые моменты времени. Для решения этой задачи мультивибратору надо обеспечить одно устойчивое состояние равновесия. Такой режим можно получить запиранием одного усилительного элемента, вследствие чего схема не может выйти из такого состояния самостоятельно. В этом случае для возникновения генерации необходим внешний запускающий импульс. Поскольку схема «ждёт» такой импульс, подобный мультивибратор называют «ждущим», или «заторможенным». Роль запускающего импульса сводится к тому, чтобы приоткрыть запертый усилительный элемент, т.е. создать условия для возникновения лавинообразного процесса. Поэтому запускающий импульс должен иметь определённую амплитуду, полярность и длительность.

После опрокидывания во время формирования импульса схема находится в неустойчивом состоянии, из которого самостоятельно и тоже лавинообразно возвращается в исходное (устойчивое) состояние, а затем выводится из него следующим запускающим импульсом.

Ждущие мультивибраторы могут использоваться как элементы задержки. Действительно, если импульсы, сформированные ждущим мультивибратором, продифференцировать, а затем срезать импульсы, полярность которых соответствует полярности запускающих импульсов, то полученная последовательность окажется задержанной по отношению к запускающим импульсам. Время задержки при этом соответствует пребыванию мультивибратора в неустойчивом состоянии (рис.3.4).

Рис.3.4. Принцип задержки импульсов с помощью мультивибратора

 

Существует несколько разновидностей схем ждущих мультивибраторов. Наиболее часто используется ждущий мультивибратор с коллекторно-базовыми связями (рис.3.5).

В исходном состоянии транзистор VT₁ заперт от источника постороннего смещения – Е_см. Конденсатор C₁ будет заряжен по цепи:

+ Е_к → R_к1 → C₁ → (Б – Э)VT₂→ корпус (– Е_к) до величины ≈ + Е_к.

Для генерирования импульса необходимо вывести схему из устойчивого состояния. Для этого на базу транзистора VT₁ через разделительный конденсатор C_р подают положительный запускающий импульс. При двух отпертых транзисторах развивается лавинообразный процесс, приводящий к опрокидыванию схемы: VT₁ отпирается, а VT₂ запирается. Конденсатор C₁ перезаряжается по цепи:

+ C₁ (левая по схеме обкладка) → (К – Э)VT₁ → корпус → (– Е_к) → + Е_к →

→ R_б2→ – C₁ (правая по схеме обкладка).

Рис.3.5. Схема ждущего мультивибратора

 

В это же время конденсатор C₂ заряжается по цепи:

+ Е_к→ R_к2 → C₂→ (Б – Э)VT₁→ корпус (–Е_к).

По мере перезаряда конденсатора C₁ потенциал базы транзистора VT₂ уменьшается по экспоненциальному закону, и при достижении нулевого напряжения на базе транзистор отпирается. С этого момента начинается новый лавинообразный процесс, в результате которого транзистор VT₁ запирается, а VT₂ отпирается. После этого конденсатор C₁ вновь заряжается от источника + Е_к через R_к1, и схема возвращается в исходное устойчивое состояние.

В данной схеме транзистор VT₁ удерживается в запертом состоянии не напряжением конденсатора C₂, а напряжением источника – Е_см. Поэтому связь коллектора VT₂ с базой VT₁ можно осуществить через резистор R. Для обеспечения более быстрой и чёткой передачи перепадов напряжения с коллектора VT₂ на базу VT₁ резистор R шунтируют «ускоряющим» конденсатором C небольшой ёмкости (рис.3.6).

Рис.3.6. Ждущий мультивибратор с ускоряющим конденсатором