Генераторы пилообразных импульсов. Триггеры. Интегральные триггеры. Селекторы импульсов

Глава  6 ГЕНЕРАТОРЫ ПИЛООБРАЗНЫХ ИМПУЛЬСОВ

§ 6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Пилообразный импульс (рис. 6.1) составляется двумя фронтами. Передний фронт (прямой, или рабочий ход) является линейно изменяющимся напряжением или током. Задний фронт (обратный ход) изменяется по экспоненциальному закону.

Пилообразный импульс характеризуется начальным уровнем U₀, амплитудой U_m, длительностями прямого (t_пр) и обратного (t₀6p) ходов, а также средней скоростью К нарастания переднего фронта. Отклонение этого фронта от строго линейного оценивается коэффициентом нелинейности

γ = , (6.1)

где I K_max I — модуль скорости в начале фронта; I — аналогичный параметр в конце фронта.

Линейно изменяющееся напряжение (ЛИН) используется для развертки электронного луча в электронно-лучевых трубках с электростатическим отклонением (например, в осциллографах), в устройствах задержки импульсов на калиброванное время, в преобразователях аналог-код и т. д. Линейно изменяющийся ток (ЛИТ) используется для развертки электронного луча в трубках с электромагнитным отклонением (например, в телевизорах). Так как область использования ЛИН шире, в этой главе ему уделено основное внимание. Более того, линейно изменяющееся напряжение используется и для получения линейно изменяющегося тока.

Линейно изменяющуюся функцию можно представить как результат интегрирования во времени постоянной величины:

Kdt = Kt.

Поэтому ЛИН получают с помощью интегратора, к входу его подключают постоянное напряжение, и, таким образом, он оказывается генератором линейно изменяющеюся напряжения (ГЛИН).

ГЛИН (интегратор) содержит конденсатор, на котором формируется линейно изменяющееся напряжение, цепи зарядки и разрядки. Различаются такие генераторы способом стабилизации тока зарядки (разрядки) конденсатора, благодаря которой повышается линейность формируемого напряжения При невысоких требованиях к линейности применяют интегратор в виде RС-цепи , при повышенных требованиях используют, в частности, интегратор на операционном усилителе.

Так как скорость зарядки (разрядки) конденсатора пропорциональна току через него, то (6.1) можно записать в виде

γ= (I_Снач - I_Скон )/ I_Скон (6.2)

где I_Сначи I_Скон - токи конденсатора соответственно в начале и конце формирования ЛИН.

Важным параметром ГЛИН является коэффициент использования напряжения источника питания, показывающий, насколько амплитуда пилообразного импульса меньше предельно возможной:

έ=U_m/(E-U₀) (6.3)

где Е — напряжение источника питания; U_mи  U₀ обозначены на рис. 6.1.

§ 6.2. ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Простейшие генераторы ЛИН. При невысоких требованиях к линейности напряжения специальных мер для стабилизации тока конденсатора не принимают, имея в виду, что в начале зарядки (разрядки) он меняется мало.

Действительно, за время t = 3τ (где τ— постоянная времени цепи зарядки) конденсатор заряжается до напряжения U = =0,95 Е (где Е — напряжение источника). Если же выбрать много τ больше требуемой длительности прямого хода «пилы» (t_np), то за время t_np конденсатор успеет зарядиться до напряжения и_с, составляющего незначительную часть напряжения Е. Поэтому ток зарядки (рис. 6.2, а)

I_з = u_R/R = (E- u_c)/R (6.4)

меняется незначительно.

Линейность напряжения на конденсаторе в начале зарядки иллюстрирует рис. 6.2, б, где начальный, относительно линейный участок экспоненты соответствует переднему фронту формируемого пилообразного импульса.

Аналогично мало меняется ток в начале разрядки конденсатора, в ходе которой может быть сформировано линейно спадающее напряжение.

Схемы ГЛИН, в которых не предусмотрена стабилизация тока конденсатора, изображены на рис. 6.3, а и 6.4. Каждая из них представляет собой интегрирующую RC-цепъ, дополненную транзисторным каскадом, коммутирующим конденсатор с зарядки на разрядку.

В исходном состоянии транзистор Т (рис. 6.3, а) насыщен. Поэтому напряжение на его коллекторе и конденсаторе С и_к =U_c=U_cmin≈0

Формирование ЛИН происходит во время действия на входе управляющего прямоугольного импульса, длительность t_и которого равна требуемой длительности t_np пилообразного напряжения. С поступлением на базу такого импульса транзистор запирается, и конденсатор начинает заряжаться по цепи (+ E_к) — «земля» — С — R_K — (— E_к) с постоянной времени τ₃ = CR_K. При этом на выходе схемы (на конденсаторе С) происходит нарастание отрицательного напряжения (рис. 6.3,6). После окончания входного импульса транзистор отпирается, и конденсатор через него быстро разряжается. При регулярном поступлении на вход управляющих импульсов на выходе схемы формируется последовательность пилообразных импульсов.

Чтобы обеспечить линейность прямого хода, выбирают τ₃ » t_u, за счет чего зарядка конденсатора соответствует начальному, относительно линейному участку экспоненты. Однако чем больше τ₃ превосходит t_np, тем меньше напряжение U_m, до которого зарядится конденсатор за время t_np — тем меньше коэффициент использования напряжения источника Е_к.

Обычно длительность обратного хода «пилы» t_обр намного меньше t_np. С учетом этого параметры схемы должны удовлетворять неравенству:  τ_з>> t_пр>>τ_р

где τ_р — постоянная времени разрядки конденсатора.

Чтобы выполнить оба требования, емкость конденсатора выбирают, как правило, небольшой, а увеличение τ_з получают за счет сопротивления резистора R_к.

Установим для данной схемы связь между коэффициентом нелинейности и коэффициентом использования напряжения источника. Если по сравнению с Е_к пренебречь напряжением на насыщенном транзисторе и напряжением на резисторе R_Kот обратного тока I_ко, то начальный и конечный токи в процессе зарядки конденсатора:

1с нач = E/R; 1_С кон = (Е_к - U_m)/R_K,

где U_m — напряжение на конденсаторе в момент окончания управляющего импульса.

Подставив эти значения в выражение (6.2) и считая U_m<< Е_к, получим

γ= U_m / Е_к (6.5)

Так как начальное напряжение на конденсаторе U_со ≈  О (транзистор насыщен), то в соответствии с выражением (6.3) коэффициент использования напряжения источника питания

έ = U_m / Е_к (6.6)

Сравнивая (6.5) и (6.6), видим, что для рассматриваемой схемы коэффициенты έ и γ численно равны. Если, например, задаться нелинейностью γ= 1 %, то амплитуда U_mпилообразного импульса составляет только 0,01 Е_к и для получения U_m= = 1 В необходимо располагать источником питания с напряжением Е = 100 В.

Стремление повысить коэффициент е неизбежно ведет к ухудшению линейности. Поэтому рассмотренную схему используют в тех случаях, когда допустима относительно большая нелинейность, или если в распоряжении имеется источник с напряжением, гораздо большим требуемой амплитуды пилообразного напряжения.

На рис. 6.4 приведена схема генератора линейно нарастающего напряжения, аналогичная схеме рис. 6.3, а. В исходном состоянии транзистор Т насыщен и через него конденсатор С заряженпрактически до напряжения - Е_к. С приходом управляющего импульса транзистор запирается и конденсатор медленно разряжается через большое сопротивление резистора R. Как и в схеме, рис. 6.3, а, транзистор выполняет роль ключа. Однако в данном случае через него осуществляется быстрая зарядка конденсатора.

Значения коэффициентов γ и έ для данной схемы такие же, как для предыдущей; поэтому выводы о применимости схем совпадают.

Генераторы ЛИН с токостабилизирующими элементами. Ранее указывалось, что напряжение на конденсаторе изменяется нелинейно из-за, уменьшения тока в процессе зарядки (разрядки). В соответствии с выражением (6.4) ток в цепи остается постоянным, если напряжение и_к на том элементе, через который происходит зарядка, сохраняется неизменным.

Таким токостабилизирующим элементом является, в частности, транзистор, вольтамперные характеристики которого имеют пологий участок. Стабилизирующее действие особенно ощутимо при использовании транзистора в схеме с общей базой, у которого выходные характеристики 1_к=f(U_кб) при i_э  = const (рис. 6.5) имеют в β раз меньший наклон, чем в схеме с общим эмиттером.

•В схеме токостабилизирующий элемент включается последовательно с конденсатором вместо резистора, через который в предыдущих схемах проходил зарядный (разрядный) ток. По мере зарядки напряжение на конденсаторе увеличивается, а на транзисторе уменьшается. Если i_э = const, то рабочая точка перемещается на участке А — В одной из выходных характеристик (см. рис. 6.5). При этом ток транзистора (конденсатора) на значительном участке характеристики меняется в сравнительно малых пределах.

На рис. 6.6 изображена схема генератора линейно нарастающего напряжения, реализующая изложенный принцип. На транзисторе Т₂, постоянно работающем в усилительном режиме, собран стабилизатор тока, а на транзисторе Т₁— коммутирующий каскад. В исходном состоянии транзистор T₁ насыщен и за счет малого сопротивления R_KU_вых = и_с ≈ Е_к. С поступлением входного управляющего импульса транзистор T₁ запирается и конденсатор С начинает разряжаться через стабилизатор на транзисторе Т₂.

Необходимое постоянство эмиттерного тока i_э обеспечивается отрицательной обратной связью, обусловленной наличием резистора r_э. При уменьшении U_кб (по мере разрядки конденсатора С) ток i_э уменьшается — напряжение U_Rэстановится меньше, смещение U_бэ на базовом переходе оказывается более отрицательным и i_э уменьшается в значительно меньшей степени. Благодаря этому — при достаточно большом значении R_э — стабилизатор ведет себя аналогично транзистору в схеме с общей базой при 1_Э = const. В результате ток коллектора (ток разрядки конденсатора) изменяется незначительно — разрядка конденсатора С осуществляется почти неизменным током, т. е. линейно.

Напряжение U_Rэприкрывает переход база - эмиттер. Поэтому без источника Е_э транзистор работал бы при малых токах и без должного

 усиления. Ток эмиттера Т₂ i_э = (Е_э, — | Ибэ |/R) ≈ E_э/R_э = const, так как Е_э,» |u_бэ |.

На рис. 6.7 приведена схема, на выходе которой формируется линейно падающее напряжение. В исходном состоянии транзистор Т₂ насыщен и конденсатор С почти полностью разряжен. На время действия входного управляющего импульса транзистор Т₂ запирается и конденсатор С заряжается через стабилизатор на транзисторе Т₁ почти неизменным током. С окончанием действия управляющего импульса транзистор Т₂ отпирается и конденсатор через него быстро разряжается.

Из-за постоянства тока i_э стабилизатора потенциалы точек А и Б схемы изменяются аналогично и отличаются только на постоянное значение. Поэтому выходное напряжение можно снимать не с конденсатора (что при нагрузке уменьшило бы линейность Uвых), а так, как показано на рис. 6.7. Недостатком схем (рис. 6.6 и 6.7) является наличие специального источника смещения Еэ.

Генераторы ЛИН компенсационного типа. Ток зарядки конденсатора С окажется неизменным, если в его цепи (рис. 6.8) будет действовать источник (назовем его компенсирующим), напряжение U_к которого «следит» за напряжением и_с и в любой момент времени компенсирует его. Действительно, в этом случае ток зарядки не меняется во времени:

i_з =•(E - U_с + U_K)/R = E/R = const.

Генераторы ЛИН, в которых реализуется указанный принцип, называют генераторами компенсационного типа.

Как следует из схемы (см. рис. 6.8), напряжение U_к действует согласно с напряжением Е и встречно к напряжению U с- В соответствии с этим в основу принципиальных схем ГЛИН положено либо согласное включение U_ки Е (оно достигается наличием в схеме положительной обратной связи), либо встречное включение U_к и U_с(за счет наличия в схеме отрицательной обратной связи).

Можно считать, что в схеме ГЛИН с положительной обратной связью действует эквивалентный источник (обведенный пунктиром на рис. 6.8), напряжение которого (Е + U_к) увеличивается при зарядке конденсатора аналогично U_с, благодаря чему ток в цепи остается неизменным. В таких генераторах выходное напряжение снимается с конденсатора, одна обкладка, которого соединяется с «землей», поэтому ни один зажим источника Е соединяться с «землей» не должен.

В схеме ГЛИН с отрицательной обратной связью можно мысленно объединить компенсирующий источник и конденсатор С (на рис. 6.8 они обведены штрихпунктирной линией) и считать, что источник Е обеспечивает неизменный ток в цепи, содержащей только резистор R. В таком генераторе один зажим источника Е (например, отрицательный в схеме рис. 6.8) можно соединить с «землей», а напряжение снимать с компенсирующего источника.

ГЛИН с положительной обратной связью. Схема такого генератора приведена на рис. 6.9. На транзисторе tiсобран коммутирующий каскад, переключающий конденсатор С с разрядки на зарядку. Роль компенсирующего источника выполняет эмиттерный повторитель на транзисторе Т₂ с коэффициентом усиления К ≈ 1. Конденсатор С₀ является источником питания схемы при зарядке конденсатора С; его выбирают из условия С₀ » С, так что за время зарядки конденсатора С напряжение на С₀ остается практически неизменным. Ни один вывод С₀ не соединен с «землей», что соответствует отмеченным ранее особенностям ГЛИН с положительной обратной связью. Диод Д обеспечивает отключение источника Е от схемы во время зарядки конденсатора С.

До прихода управляющего импульса транзистор Т₁ насыщен, благодаря чему конденсатор С разряжен. В это время конденсатор С₀ заряжается по цепи: ( + Е) — «земля» — резистор R_э- С₀ - диод Д -(-Е), и в конце зарядки U_Co ≈ Е.

С приходом управляющего импульса транзистор Т₁ запирается и конденсатор С начинает заряжаться через резистор R. Благодаря этому напряжение и_э на выходе эмиттерного повторителя возрастает по абсолютному значению. Теперь сумма согласно действующих напряжений u_Со +u_эпревышает Е — диод Д запирается, схема отключается от внешнего источника Е и начинает питаться от заряженного конденсатора С₀. Так как коэффициент передачи эмиттерного повторителя К ≈1; то и_э ≈ и_с, т. е. напряжение на выходе эмиттерного повторителя «следит» за напряжением на конденсаторе С. В результате с увеличением напряжения u_с на заряжающемся конденсаторе С почти также возрастает сумма U_c0+ u_эа алгебраическая сумма Uвсех напряжений в цепи и ток I в ней остаются практически постоянными: U = U_Co + u_э — u_с ≈ U_Co; I = U/R ≈ Uc₀/R ≈ E/R = const. В результате практически линейно нарастают напряжения uс, u_э ≈ u_с и u_вых = u_э

С окончанием действия на входе схемы управляющею импульса транзистор T_iвходит в насыщение, конденсатор С через него быстро разряжается и схема возвращается в исходное состояние.

Погрешности генератора при формировании линейно изменяющегося напряжения обусловлены некоторым уменьшением напряжения на конденсаторе С₀, а также ошибкой «слежения» эмиттерного повторителя, т. е. неточным выполнением условия К = 1 во всем диапазоне входных напряжений.

ГЛИН с отрицательной обратной -связью. Покажем, что таким генератором является рассмотренный в § 4.4 интегратор на ИМС ОУ, если на его вход подавать постоянное напряжение.

На элементах схемы (рис. 6.10) — для случая положительного входного импульса — указаны полярности напряжений. В соответствии с ними легко заметить, что в цепи R - С - выход ИМС ОУ — «земля» имеются встречно включенные напряжения u_с и u_вых. Значения этих напряжений практически одинаковы (см. § 3.2); поэтому они взаимно компенсируются, и в указанной цепи по существу действует только напряжение U_вх.  При U_вх.   = const ток в цепи (ток через конденсатор) I= Uвх/R =  const, благодаря чему на конденсаторе формируется линейно изменяющееся напряжение

U_вых ≈- u_c =-

Таким образом, интегратор (см. рис. 6.10) при U_вх = const работает как ГЛИН компенсационного типа с отрицательной обратной связью, обусловленной указанным включением конденсатора С. Роль компенсирующего источника в схеме выполняет операционный усилитель; чем ближе приближается он к идеальному, тем точнее u_вых компенсирует