Формирование сигналов прямоугольной формы.

Любой повторяющийся сигнал легко можно преобразовать в прямоугольный, возбуждая этим сигналом простой усилитель напряжения настолько сильно, что транзистор попеременно оказывается в состоянии отсечки или насыщения. На рис. 10.2 показана схема усилителя, который будет вести себя так. Если на его вход подается синусоидальный сигнал с эффективным значением по крайней мере 5 В, то выходной сигнал имеет прямоугольную форму и пригоден для использования в различных экспериментах с импульсами, приведенных в этой главе. В течение положительного полупериода входной сигнал удерживает транзистор в режиме насыщения, и

 

 

Рис. 10.2. Схема формирования прямоугольного сигнала.

 

при этом потенциал коллектора транзистора очень близок к 0 В, в то время как в течение отрицательного полупериода транзистор не проводит, и напряжение на коллекторе равно +9 В. Диод, включенный между базой и землей, ограничивает напряжение в отрицательном полупериоде с целью избежать пробоя при обратном смещении перехода база—эмиттер, который может произойти при напряжениях на входе ниже —6 В. Таким образом, выходной сигнал имеет прямоугольную форму и амплитуду около 9 В (рис. 10.3). Коллекторное напряжение не достигает значения точно 0 В во время положительного полупериода: всякий транзистор в режиме насыщения имеет конечное напряжение коллектор—эмиттер VC£lsat), типичное значение которого лежит в диапазоне от 0,1 до 1 В и зависит от протекающих токов коллектора и базы, а также от типа транзистора. Транзисторы, созданные специально для переключений, обычно имеют малое напряжение VCE, так что достижимы максимально возможные изменения выходного напряжения. Это гарантирует также, что на самом транзисторе рассеивается очень

 

 

Рис. 10.3. Входной и выходной сигналы в схеме формирования прямоугольного сигнала.

 

маленькая мощность: хотя в режиме насыщения коллекторный ток максимален, рассеиваемая мощность пренебрежимо мала, если напряжение VCE(sat) очень мало.

 

В этой главе мы рассмотрим различные искажения, которым могут подвергаться прямоугольные сигналы из-за влияния емкостей, имеющихся в схеме. Поскольку это те же самые емкости, которые обуславливают ограничение частотной характеристики схемы, разумно установить связь между искажением прямоугольного сигнала и частотной характеристикой, измеряемой при синусоидальном сигнале. Здесь уместно отметить, что линейные компоненты схемы такие, как конденсаторы и резисторы, никогда не могут искажать форму синосоидального сигнала, хотя, конечно, они могут уменьшить его амплитуду. Чтобы исказить синусоидальный сигнал, требуется некоторая нелинейность, например такая, как нелинейность транзистора. С другой стороны, вид сигнала «прямоугольной» формы может полностью измениться при прохождении по цепи, состоящей всего лишь из резистора и конденсатора.

 

Фурье-анализ

 

При обсуждении искажений в гл. 4 было отмечено, что любой периодический несинусоидальный сигнал можно разложить на некоторое число синусоидальных компонент, включающих основную составляющую с той же частотой /, что и исходный сигнал, плюс некоторое число гармоник с частотами 2/, 3/, 4/и т. д. Прямоугольный сигнал содержит гармоники вплоть до очень высоких порядков, вертикальные участки и резкие изломы предполагают наличие бесконечного ряда гармоник. В действительности, воспроизведение прямоугольного сигнала получается хорошим, если он представлен частотами до десятой гармоники. По этой причине прямоугольные колебания часто используются для быстрой проверки частотной характеристики усилителя звукового диапазона; для точного воспроизведения прямоугольного сигнала с частотой 1 кГц требуется верхняя граничная частота до 10 кГц.

 

Влияние цепи на прямоугольный сигнал можно рассчитать, раскладывая этот сигнал в ряд Фурье на отдельные синусоидальные составляющие: вычисляя частотную характеристику цепи, мы определяем ее влияние на амплитуду и фазу различных составляющих прямоугольного сигнала. Затем измененные синусоидальные составляющие можно сложить вместе, чтобы синтезировать видоизмененный прямоугольный сигнал. Этот способ, хотя и даст правильный результат, очень громоздок; к счастью, имеется гораздо более прямой метод определения влияния ЛС-цепи на прямоугольный сигнал, состоящий просто в рассмотрении заряда и разряда конденсатора или конденсаторов во временной области.