Ждущие генераторы прямоугольных импульсов (одновибраторы)

 

Ждущие генераторы прямоугольных импульсов (ОВ) предназначены для формирования прямоугольного импульса заданной длительности при поступлении на вход короткого запускающего импульса. Такие генераторы имеют одно устойчивое и одно квазиустойчивое состояния, переход в которые осуществляется регенеративно.

Одновибратор на дискретных элементах. Типовая схема такого одновибратора показана на рис. 6.7, а. Она состоит из двух усилителей-инверторов, соединенных между собой положительными перекрестными обратными связями, причем в одно плечо этой ОС включена времязадающая RС-цепь, а второе образуется делителем напряжения R l, R 2.

В устойчивом положении транзистор VT 1 закрыт положительным смещением U _см на базе от источника напряжения + Е _см1, а транзистор VT 2 открыт отрицательным смещением − E _см2, подключенным к его базе через резистор времязадающей цепи R. Конденсатор С заряжен практически до напряжения E _К (рис. 6.7, б). С приходом в момент времени t _t отрицательного запускающего импульса u _вх в базу VT 1 последний открывается, конденсатор С подключается ко входу транзистора VT 2, запирая его. Коллекторное напряжение u _К2 VT 2 скачком увеличивается до напряжения − E _К, обеспечивая протекание через базу VT 1 тока базы i _Бl, большего І _{Бн 1.} Схема перешла в квазиустойчивое состояние, длительность которого определяется временем перезаряда конденсатора времязадающей цепи С от напряжения E _К до нуля под действием напряжения − Е _см2. Емкость конденсатора С ₁ << С, так как он выполняет функции форсирующего конденсатора и работает только в течение времени формирования фронтов

 

 

Рисунок 6.7 − Одновибратор на дискретных элементах

 

В устойчивом положении транзистор VT 1 закрыт положительным смещением U _см на базе от источника напряжения + Е _см1, а транзистор VT 2 открыт отрицательным смещением − E _см2, подключенным к его базе через резистор времязадающей цепи R. Конденсатор С заряжен практически до напряжения E _К (рис. 6.7, б). С приходом в момент времени t _t отрицательного запускающего импульса U _вх в базу VT 1 последний открывается, конденсатор С подключается ко входу транзистора VT 2, запирая его. Коллекторное напряжение U _К2 VT 2 скачком увеличивается до напряжения − E _К, обеспечивая протекание через базу VT 1 тока базы i _Бl, большего І _Бн1 . Схема перешла в квазиустойчивое состояние, длительность которого определяется временем перезаряда конденсатора времязадающей цепи С от напряжения E _К до нуля под действием напряжения − Е _см2. Емкость конденсатора С₁ << С, так как он выполняет функции форсирующего конденсатора и работает только в течение времени формирования фронтов.

В момент времени t ₂ напряжение на конденсаторе С уменьшается до нуля и происходит регенеративное восстановление исходного состояния, которое заканчивается после заряда конденсатора С.

Эквивалентные схемы замещения для устойчивого и квазиустойчивого состояний приведены на рис. 6.8, а и б. Условиями устойчивого состояния являются соотношения U _Б1 ≥ 0 и i _Б2 > І _Бн2. Первое условие можно записать

 

(6.15)

или, вынося за скобки, E _см1 – І _К0 R 2 ≥ 0.

Отсюда можно определить значение сопротивления R ₂:

 

(6.16)

 

Второе условие перепишем в виде

 

(6.17)

 

откуда можно определить значение сопротивления резистора R:

R ≤ β R _К2 k, (6.18)

 

где k = E _см2 / E _К.

Условиями квазиустойчивого состояния являются U _Б2 ≥ 0; i _Б1 ≥ І _Бн1.

Первое условие выполняется в силу принципа работы схемы, а второе рассмотрим детальнее, записав токи через отношение соответствующих напряжений и сопротивлений

 

(6.19)

 

Выполнив простейшие преобразования, получим

 

(6.20)

 

где

 

 

Рисунок 6.8 − Схемы замещения для устойчивого и квазиустойчивого состояний

 

Длительность квазиустойчивого состояния t _и определяется из уравнения (6.1) при U (∞) = − E _см2 − І _К0 R, U (0) = −(E _K − І _K0 R _K1) аналогично уравнению (6.9):

(6.21)

где τ = RC.

Учитывая, что R >> R _К1, и обозначив получим

(6.22)

 

Если пренебречь величиной І _К0 и считать, что E _см2 = E _К, то формула (6.22) упрощается к виду

 

t _и ≈ τ ln2 ≈ 0,7 R C. (6.23)

 

Время восстановления составляет t _в = (3−5) R _К1 С. Регулировать длительность выходного импульса можно как изменением параметров R и С, так и изменением напряжения смещения E _см2

Одновибратор на дискретных элементах с эмиттерными связями показан на рис. 6.9. В этой схеме положительная обратная связь осуществляется с помощью конденсатора С и общего резистора R _Э.

В исходном состоянии устойчивого равновесия транзистор VT 1 заперт, a VT 2 насыщен. Насыщенное состояние транзистора VT 2 обеспечивается резистором R с сопротивлением R < βR _К2, через который протекает базовый ток, достаточный для насыщения VT 2. В эмиттерной цепи VT 2 протекает ток эмиттера i _Э ≈ E _K / (R _К2 + R _Э), за счет которого на резисторе R _Э возникает падение напряжения U _Э = i _Э R _Э с полярностью (рис. 6.9, а). Одновременно через делитель R l − R 2 протекает ток, создавая на резисторе R 2 падение напряжения u _r2. Если | U _Э| > | U _R2| то на базу транзистора VT I подается положительное напряжение (U _Б1 > 0) и обеспечивается запертое состояние транзистора VT I. Конденсатор С в исходном состоянии заряжен до напряжения U _с = E _К− U _Э1 по цепи корпус − R _Э-эмиттерный переход − С - R к1 − (− E _К).

 

 

Рисунок 6.9 − Одновибратор на дискретных элементах с эмиттерными связями

 

Перевод схемы в квазиустойчивое состояние осуществляется подачей в базу VT 1 отрицательного импульса U _вх с амплитудой больше, чем U _Б1 Транзистор VT 1 начинает открываться и напряжение на его коллекторе увеличивается. Образовавшееся положительное приращение напряжения через конденсатор С передается в базу транзистора U 2, запирая его и уменьшая ток эмиттера. Приращение тока эмиттера от отпирания VT 1 меньше, чем его уменьшение от запирания VT 2, так как R _К1 выбирается больше R _К2.

В результате на резисторе R _Э отрицательное напряжение уменьшается, что эквивалентно его увеличению на базе VT 1, который еще больше открывается и т. д. Этот лавинообразный процесс заканчивается запиранием VT 2, насыщение VT 1 и переходом схемы в состояние квазиравновесия.

В этом состоянии ток через резистор R 1 достаточен для насыщения транзистора VT 1, а транзистор VT 2 удерживается в запертом состоянии положительным напряжением на конденсаторе С, который через насыщенный VT 1 подключен к базе VT 2. Напряжение на конденсаторе уменьшается по мере его перезаряда через резистор R, открытый VT 1 и резистор R_Э, стремясь достигнуть величины − E _К. Однако, когда U _с = U _б2 достигнет нуля, произойдет обратное переключение схемы и ОВ возвратится в исходное состояние. Конденсатор С вновь зарядится почти до полного напряжения E _К после чего ОВ готов к формированию следующего импульса.

Длительность импульса, формируемого на коллекторе VT2,

 

, (6.24)

или, если І _К0 очень мал,

 

t _и = C R ln2 ≈ 0,7 R C. (6.25)

 

Время восстановления ОВ зависит от времени заряда конденсатора С и находится из соотношения

 

t _в ≈ 3 С (R _К1 + R _Э║ R _К2) ≈ 3 С (R _К1 + R _Э). (6.26)

 

Минимальная амплитуда выходного импульса на коллекторе транзистора VT2

 

(6.27)

 

Наряду с базовым запуском одновибратора на практике часто применяют диодный коллекторный запуск импульсом положительной полярности (рис. 6.9, б). При таком запуске в процессе опрокидывания схемы диод запирается и отключает ОВ от цепи запуска, повышая тем самым устойчивость запуска.

 

Блокинг-генераторы

 

Блокинг-генератор (БГ) предназначен для формирования мощных импульсов с длительностью от долей микросекунды до долей миллисекунды и скважностью, изменяющейся в пределах от единиц до нескольких тысяч или даже десятков тысяч. Практически такая скважность не может быть получена ни от одного другого автогенератора импульсов. Генерируемые импульсы близки по форме к прямоугольным и имеют высокую крутизну фронтов. При использовании дополнительной выходной повышающей обмотки импульсного трансформатора (ИТ) амплитуда выходных импульсов может во много раз повышать напряжение источника питания. Блокинг-генератор может работать в режимах автоколебательном, ждущем и синхронизации.

Блокинг-генератор выполняется как однокаскадный ключ, замкнутый с помощью ИТ в кольцевую схему с сильной положительной обратной связью (ПОС). Особенностью этой ПОС является то, что она замыкается через магнитное поле ИТ и действует только при изменениях этого поля.

Транзистор может включаться в схему БГ по любой из трех схем. В качестве сердечника ИТ, являющегося важнейшим элементом БГ, используют ненасыщающиеся сердечники из магнитомягкого материала преимущественно с непрямоугольной петлей гистерезиса. Рассмотрим работу автоколебательного БГ на примере наиболее применяющейся схемы с ОЭ (рис.6.10, а). В цепь коллектора транзистора включена обмотка W _К ИТ, в цепь базы − обмотка W _Б обратной связи между коллектором и базой транзистора, а в цепь нагрузки − повышающая обмотка W _Н. Коллекторная и базовая обмотки ИТ включены встречно, что обеспечивает положительную обратную связь. К базе транзистора подключена времязадающая цепь RС, которая определяет частоту следования импульсов.

 

 

 

Рисунок 6.10 – Схема автоколебательного блокинг-генератора

 

Условия самовозбуждения БГ, как и любого генератора, могут быть записаны в общем виде

К / n ≥ 1, (6.28)

 

где n = W _Б/ W _К − коэффициент трансформации импульсного трансформатора; φ _К − угол сдвига фазы, создаваемый ключом; φ _n − угол сдвига фазы, создаваемый ИТ; К − коэффициент усиления ключа.

С учетом коэффициента усиления трансформатора, условием баланса амплитуд, выраженным через элементы схемы, является

 

β ≥ n [1 + (R ’_вх/ R ’_н)], (6.29)

 

где R ’_н = R _н / n ² и R ’_вх = R _вх/ n ² − сопротивления нагрузки и входное сопротивление ключа, приведенные к коллекторной обмотке W _к.

Рассмотрим работу БГ с момента начала перезаряда конденсатора С (рис.6.10, б). На этом этапе транзистор VT закрыт, а конденсатор С, заряженный в предыдущем цикле до максимального напряжения U _С = U _Cmax, медленно перезаряжается по цепи: общая шина − обмотка
W _Б − С − R −(− Е _К). Полярность напряжения на конденсаторе показана на рис. 6.10, а. Согласно эквивалентной схеме цепи перезарядки (рис. 6.11, а)

 

R _экв = R ∙ r _K /(R + r _K). (6.30)

 

где r_K - сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода закрытого транзистора.

 

 

Рисунок 6.11 − Схема цепи перезарядки

 

Для уменьшения температурной нестабильности схемы выбирают R << r _K. Тогда R _эк ≈ R. В эквивалентной схеме отсутствует базовая обмотка W _Б, так как э.д.с. самоиндукции U ₂, возникающая в базовой обмотке, при протекании медленно изменяющегося тока перезаряда практически равна нулю, и, следовательно, влиянием базовой обмотки на этом этапе можно пренебречь. Напряжение на базе U _Б = U _С положительно, и транзистор VT удерживается в закрытом состоянии. Конденсатор С стремится перезарядиться до напряжения – Е _К. К этому же значению стремится U _Б. Однако в момент времени, когда U _Б достигает нулевого уровня, транзистор отпирается, и перезаряд конденсатора прекращается. Во время перезаряда конденсатора напряжение на коллекторе транзистора равно − Е _К, и в этот период формируется пауза между генерируемыми импульсами. Длительность паузы

 

(6.31)

где U _Сmах = n∙E _K(1 – ) ≈ n∙Е _K − максимальное значение напряжения на конденсаторе С.

Для обеспечения температурной стабилизации паузы необходимо, чтобы R << Е _К/10 I _К0mах. В момент отпирания транзистора начинает изменяться коллекторный ток и в действие вступает ПОС, обусловленная изменением магнитного поля ИТ из-за изменения тока коллектора. Для простоты будем считать, что сердечник ИТ в процессе работы не насыщается. При этом между напряженностью магнитного поля Н и индукцией В имеется однозначная связь В = μ Н. Далее примем μ = const.

Приращение коллекторного тока вызывает э.д.с. самоиндукции в коллекторной обмотке W _K, за счет чего в базовой обмотке W _Б наводится э.д.с. U ₂ отрицательной полярности относительно базы. В результате токи базы и коллектора еще более возрастут и т.д. Этот процесс носит лавинообразный характер и заканчивается насыщением транзистора. В ходе этого процесса формируется передний фронт импульса, длительность которого

 

. (6.32)

Оптимальная величина коэффициента трансформации n ₀, при которой t _Ф имеет минимальную величину – n ₀ = В этом случав сопротивление нагрузки равно входному сопротивлению (R '_н = R '_вх), условие (6.32) максимально, скорость регенеративного процесса наибольшая, а длительность фронта t _Ф ≈ 6 n ₀ τ _α. На практике n ₀ выбирают в пределах от 0,1 до 0,8.

После окончания формирования фронта начинается формирование вершины импульса. На этом этапе транзистор работает в режиме насыщения и к коллекторной обмотке W _K трансформатора полностью подключено постоянное напряжение источника питания. Как изложено в п. 1.3, ток намагничивания i _μ ИТ при этом возрастает по линейному закону, обеспечивая на базовой обмотке W _Б постоянное напряжение U ₂. Под действием этого напряжения протекает базовый ток i _Б > I_Бн, который одновременно заряжает конденсатор С. Цепь заряда: корпус − эмиттерный переход VT − С − обмотка W _Б− корпус. Ввиду малого сопротивления эмиттерного перехода насыщенного транзистора VТ, напряжение на конденсаторе повышается достаточно быстро и достигает значения U _Cmax ≈ n Е _K. Одновременно с этим по мере заряда конденсатора базовый ток уменьшается. С другой стороны, по мере роста i _μ ток коллектора насыщения увеличивается, что приводит к увеличению необходимого для поддержания транзистора в насыщенном состоянии тока фазы насыщения и началу насыщения сердечника ИТ. В конечном итоге эти процессы приводят к тому, что транзистор в некоторый момент времени переходит из режима насыщения в активный. В этот момент и завершается формирование вершины импульса.

В момент перехода транзистора в активный режим восстанавливается действие положительной обратной связи и возникает регенеративный процесс обратного опрокидывания, аналогичный процессу формирования фронта. Этот процесс обусловливает быстрое рассасывание объемного заряда в базе через переход коллектор − база (так как напряжение U _Б весьма быстро становится положительным) и транзистор закрывается. Так как процессы при формировании среза импульса аналогичны процессам при формировании фронта импульса, то длительность среза t _С имеет приблизительно то же значение, что и длительность фронта t _Ф.

Следует заметить, что за время обратного опрокидывания ток намагничивания i _μ ИТ практически не успевает существенно измениться и к моменту запирания транзистора сохраняет соответственно то максимальное значение i _μmax, которого он достиг во время формирования вершины импульса. Таким образом, в магнитном поле ИТ оказывается запасенной определенная энергия. Восстановление исходного состояния связано с рассеянием этой энергии − спадом тока намагничивания в контуре L _K R '_н (рис. 6.11, б), где в режиме восстановления транзистор VT заперт и полагаем i _K = 0, ). В результате на коллекторе появляется отрицательный выброс напряжения c амплитудой ∆

Напряжение между коллектором и эмиттером в этот момент достигает величины U _Kmax = E _K + ∆ U _max, превышающей напряжение источника питания. Длительность отрицательного выброса напряжения t _в ≈ 3

Этот процесс в зависимости от соотношения параметров может быть как колебательным, так и апериодическим и обычно завершается сравнительно быстро. Как правило, стремятся обеспечить апериодический режим, для чего трансформатор шунтируют диодом VD (штриховая линия на рис. 6.10, а). Далее процессы в схеме повторяются.

Блокинг-генератор с ОБ (рис. 6.12, а) используется при повышенных требованиях к стабильности частоты повторения импульсов при изменении температуры окружающей среды. Более высокая стабильность частоты в этой схеме объясняется тем, что обратный ток эмиттера I _Э0 намного меньше I _K0 и поэтому влияние I _Э0 на процесс перезаряда времязадающего конденсатора, включенного в эмиттерную цепь, будет меньше, чем в схеме ОЭ. Кроме того, так как в схеме ОБ коэффициент передачи по току α имеет более высокую стабильность, чем β в схеме ОЭ, то стабилизируется и длительность импульса. Условие баланса амплитуд для блокинг-генератора с ОБ

 

(6.33)

 

где n = W _Э/ W _К.

 

Отсюда следует, что для возникновения регенеративного процесса необходимо, чтобы n << 1. Поэтому скорость регенеративного процесса в блокинг-генераторе с ОБ обычно меньше, чем с ОЭ. Это приводит к возрастанию длительности фронта и среза импульса. Длительность же импульса в схеме ОБ можно получить меньше, чем в схеме ОЭ, так как заряд конденсатора С в первом случае происходит током эмиттера, который значительно больше тока базы во втором случае. Процессы, протекающие в блокинг-генераторе с ОБ, не отличаются от процессов в аналогичной схеме ОЭ. Временные диаграммы напряжений блокинг-генераторе с ОБ изображены на рис. 6.12, б.

Недостатком блокинг-генератора с ОБ является трудность обеспечения условий самовозбуждения, так как коэффициент передачи тока в схеме ОБ α < 1.

 

Рисунок 6.12 – Схема блокинг-генератора с ОБ

 

Другим вариантом автоколебательного блокинг-генератора, совмещающим преимущества схем ОЭ и ОБ, является блокинг-генератор с эмиттерным конденсатором (рис. 6.12, в). Условия самовозбуждения такого генератора те же, что в ОЭ, а стабильность − та же, что в ОБ.

К недостаткам блокинг-генератор с эмиттерным конденсатором следует отнести экспоненциальную форму вершины выходного импульса напряжения.

Из автоколебательного режима в ждущий блокинг-генератор переводится запиранием транзистора по базе положительным напряжением Е _Б (рис. 6.13, а) или по эмиттеру − отрицательным напряжением на резисторе R 2 делителя R 1- R 2 (рис. 6.13, б). Преимуществом последней схемы является отсутствие дополнительного источника смещения, недостатком − уменьшение амплитуды импульса на коллекторе транзистора. В состоянии устойчивого равновесия (исходном состоянии) транзисторы заперты (U _БЭ > 0), а времязадающие конденсаторы С заряжены соответственно до напряжений:

U _С = Е _Б− I _K0 R _Б; U _C = − I _K0 R _Б ≈ 0.

К недостаткам блокинг-генератор с эмиттерным конденсатором следует отнести экспоненциальную форму вершины выходного импульса напряжения.

Напряжения на коллекторах транзисторов в обоих случаях равны U _К= −Е_К. Для запуска ждущих БГ в цепь базы необходимо подать отпирающий импульс напряжения U _вх, вызывающий лавинообразный процесс формирования фронта импульса. Амплитуда отпирающего импульса должна быть U _вхmax > U _БЭ. Далее процессы протекают аналогично автоколебательным блокинг-генераторам.

 

 

Рисунок 6.13 – Блокинг-генератор в ждущем режиме

 

Обычно используют два способа запуска: последовательный и параллельный. При последовательном запуске генератор запускающих импульсов необходимо включить в разрыв базовой цепи. Так как внутреннее сопротивление этого генератора должно быть минимальным, то в качестве выходного каскада генератора используется эмиттерный повторитель (рис. 6.13, в). При параллельном запуске внутреннее сопротивление генератора запускающих импульсов должно быть возможно большим. Часто используют параллельный запуск БГ непосредственно на базу транзистора через разделительный конденсатор С _р (рис.6.13, г).

На рис.6.13, д показана схема запуска БГ через отсекающий диод. Преимуществом такой схемы является отключение генератора запускающих импульсов от блокинг-генератора в моменты формирования выходного импульса. Этим исключается влияние цепи запуска на процессы в схеме БГ. Наличие трансформатора в схеме БГ, с одной стороны, усложняет его конструкцию, затрудняет микроминиатюризацию и увеличивает разброс параметров цепи, что является весьма нежелательным. С другой стороны, появляется возможность осуществить электрическую развязку цепи нагрузки и источника питания, легко осуществить согласование с нагрузкой и обеспечить одновременное получение нескольких рабочих импульсов одинаковой или разной полярности и разной амплитуды. Эти качества являются важными для целого ряда импульсных устройств.