Способы улучшения параметров ГПН

Для повышения линейности выходного напряжения необходимо стабилизировать зарядный (или разрядный) ток.

Существуют два основных способа стабилизации зарядно-разрядного тока емкости.

1) Применение нелинейного сопротивления в цепи заряда-разряда (рис.3а) такого, что

.

2) Применение источника компенсирующей ЭДС (рис.4а) такой, что

,

 

Рассмотрим варианты реализации этих способов.

 

а) ГПН с токостабилизирующим транзистором.

В качестве нелинейного сопротивления можно рассматривать генератор стабильного тока (ГСТ).

ВАХ идеального стабилизатора тока параллельна оси напряжений (рис.3б). В этом случае сопротивление прибора постоянному току линейно зависит от напряжения (см. рис.)

Реальные приборы имеют ВАХ, идущую под углом наклона j к горизонтали (рис.3в). Хорошей аппроксимацией ВАХ стабилизатора тока является выходная ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ, или полевого транзистора.

Рассмотрим случай использования биполярного транзистора. Выходную ВАХ можно аппроксимировать прямой:

, при U_кб > 0.

,

– дифференциальное сопротивление коллекторного перехода.

(При заданном токе эмиттера I_Э = const дифференциальное сопротивление коллекторного перехода транзистора r_к составляет 10⁶ Ом и более. Таким образом, при изменении приложенного к транзистору напряжения ток через транзистор практически постоянен.)

Схема генератора падающего напряжения с транзисторным стабилизатором тока в цепи разряда конденсатора приведена на рис.3г. Временные диаграммы входного и выходного напряжений приведены на рис.3д.

В исходном состоянии коммутирующий транзистор VТ1 открыт и насыщен. Условие насыщения транзистора VТ1 имеет вид: .

В коллекторной цепи токостабилизирующего транзистора VТ2, находящегося в активном режиме, протекает ток

.

Так как транзисторы VТ1 и VТ2 соединены последовательно, то и через транзистор VТ1 протекает ток

.

 

В исходном состоянии конденсатор С заряжен до напряжения

.

 

При подаче на вход транзистора VТ1 скачка отрицательного напряжения VТ1 запирается. Конденсатор С начинает разряжаться через транзистор VТ2.

В начальный момент времени ток разряда равен

. (18)

 

Изменение тока разряда конденсатора С за время действия входного импульса определяется изменением напряжения на коллекторе транзистора VТ2:

,

где - выходное сопротивление транзистора, включенного по схеме ОБ.

В момент окончания входного импульса приращение напряжения , соответственно приращение тока равно

. (19)

 

Подставляя (18) и (19) в (2), получаем значение коэффициента нелинейности:

. (19)

 

Амплитуду выходного напряжения можно определить из равенства зарядов на конденсаторе:

.

Отсюда:

. (20)

Подставляя (20) в (19), имеем

 

. (21)

По окончании входного импульса в момент t₂ транзистор VТ1 быстро насыщается (здесь можно пренебречь переходными процессами при отпирании транзистора VТ1), и конденсатор заряжается с постоянной времени

. (22)

Время обратного хода t_Обр = (3¼5)×t _зар.

На линейность напряжения в этой схеме сильно влияет сопротивление нагрузки R_н, т.к. наклон ВАХ определяется сопротивлением . Для уменьшения этого влияния на выходе схемы включают буферный эмиттерный (или истоковый) повторитель.

 

б) ГПН с компенсирующей положительной обратной связью. Реализует второй способ улучшения линейности выходного напряжения - использование дополнительного источника компенсирующей ЭДС.

Принцип иллюстрируется рис.4а. На интегрирующую RC -цепь действует сумма двух напряжений: постоянного напряжения + Е и дополнительного переменного напряжения U_комп, пропорционального изменению напряжения на конденсаторе. Подача компенсирующего напряжения U_комп осуществляется с помощью положительной обратной связи. Ток заряда конденсатора С равен:

.

При t =0 напряжение U_комп = 0, поэтому процесс заряда С начинается только при действии напряжения Е; ток заряда равен . По мере заряда конденсатора С напряжение на нижнем конце зарядного резистора R возрастает. Соответственно уменьшается зарядный ток. Чтобы скомпенсировать это уменьшение тока надо на верхний конец R добавить напряжение, равное приращению напряжения на его нижнем конце. Такая компенсация осуществляется с помощью подачи компенсирующего напряжения U_комп, которое возрастает пропорционально увеличению напряжения на емкости.

В случае, когда выполняется равенство U_комп = U_C, ЭДС U_комп полностью компенсирует изменение i_C, т.е.

.

На практике для получения ЭДС компенсации используют эмиттерный повторитель. Так как коэффициент передачи эмиттерного повторителя К_ЭП несколько меньше единицы, то равенство U_C и U_комп обеспечить не удается. Это является одной из причин нелинейности реально получаемого выходного напряжения.

Кроме того, из рис.4а видно, что источник зарядного напряжения Е не может иметь заземленных выводов: одна клемма источника соединена с зарядным резистором, другая – с выходом формирователя компенсирующей ЭДС. Таким источником может быть батарея с незаземленными клеммами. Однако на практике чаще в качестве источника напряжения Е используют заряженный конденсатор большой емкости. За время формирования прямого хода пилообразного напряжения напряжение на таком конденсаторе не успевает существенно измениться и может считаться постоянным.

Принципиальная схема генератора линейно нарастающего отрицательного напряжения с токостабилизирующей обратной связью приведена на рис.4б. Транзистор VТ1 в этой схеме выполняет функцию ключевого элемента. Транзистор VТ2, включен по схеме ОК (эмиттерный повторитель). Он осуществляет обратную связь, с помощью которой обеспечивается постоянство потенциалов на резисторе R_к и тем самым постоянство зарядного тока.

При подаче на вход схемы отрицательного импульса напряжения транзистор VТ1 запирается, и конденсатор C заряжается через открытый в исходном состоянии диод VD и резистор R_к. Изменение напряжения D U_C передается через эмиттерный повторитель в точку m, и диод закрывается. (Напряжение в точке m равно напряжению на конденсаторе С_о плюс напряжение на выходе эмиттерного повторителя .) После запирания диода процесс заряда конденсатора С определяется напряжением на конденсаторе С_О. При достаточно большой емкости конденсатор С_О можно в данном случае рассматривать как источник постоянного напряжения: . При этом напряжение в точке m равно:

.

Это напряжение приложено к верхнему концу зарядного резистора R_к. К нижнему концу резистора R_к приложено напряжение, равное напряжению на конденсаторе С. Таким образом, падение напряжения на резисторе R_к равно и остается практически постоянным за время заряда конденсатора С. Соответственно, ток заряда конденсатора: .

Амплитуда выходного импульса равна

,

где .

 

По окончании входного импульса транзистор VТ1 отпирается, и начинается процесс восстановления схемы. Его условно можно разделить на два этапа. Конденсатор С разряжается через транзистор VТ1, находящийся в активной области, т.к. U_б1» 0, | U_к1 | = | U_C | > U_б. Разряд конденсатора С осуществляется практически постоянным током и происходит по закону, близкому к линейному.

Время обратного хода определяется по формуле:

. (23)

 

Во время первого этапа диод VD остается запертым. (Напряжение в точке m равно напряжению на конденсаторе С_о плюс напряжение на выходе эмиттерного повторителя.) Напряжение U_C = U_к1 во время обратного хода уменьшается почти до нуля, одновременно уменьшается напряжение на выходе ЭП и напряжение в точке m. Так как напряжение на коллекторе транзистора VТ1 уменьшается, а напряжение на базе фиксировано, то в некоторый момент времени коллекторный переход открывается, и транзистор VТ1 входит в режим насыщения. Напряжение на диоде становится выше его порога открывания и диод открывается.

После отпирания диода начинается заряд конденсатора С_О, который несколько разрядился за время прямого хода. Так как во время прямого хода заряд конденсатора С и разряд С_О осуществляется одним и тем же током, то можно записать соотношение:

,

где D U_Co – спад напряжения на емкости С_О,

U_М – амплитуда выходного напряжения.

Отсюда:

, (24)

 

Следует отметить, что во время заряда С_О транзистор VT2 закрыт (или близок к запиранию). Действительно, в начале заряда напряжение на базе VT2 равно напряжению коллектора U_к.нас насыщенного транзистора VT1. Обычно величина U_к.нас меньше порога отпирания транзистора U_БЭ. После отпирания диода VT2 запирается еще сильнее, т.к. к его эмиттеру будет приложено положительное напряжение, равное спаду напряжения D U_Co на конденсаторе С_О.

Время восстановления схемы

, (25)

где R_выхЭП – выходное сопротивление эмиттерного повторителя (закрытого или почти закрытого).

Для повышения коэффициента передачи эмиттерного повторителя и улучшения линейности выходного напряжения резистор R_Э должен иметь большое сопротивление, т.е. время восстановления схемы резко увеличивается, а ее быстродействие снижается.

Для устранения этого недостатка в цепь эмиттера вводят дополнительный источник напряжения – Е_Э. В этом случае ток заряда конденсатора увеличивается:

 

и процесс восстановления довольно быстро заканчивается (см. рис.4г).

Ориентировочно можно считать, что время восстановления

. (26)