книги / Справочник по микроэлектронной импульсной технике

Глава 4

ИМПУЛЬСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ В ИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕНЕРАТОРОВ

ВИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ

Всоставе некоторых серий интегральных микросхем (например, в сериях 119 и 218) [2 1 ] имеются импульсные генераторы в интегральном исполнении. К ним относятся автоколебательные (с самовозбуждением) и ждущие (заторможенные) мультивибрато­ ры, а также элементы блокинг-генератора (блокинг-генераторы без импульсного транс­ форматора). Мультивибраторы в интегральном исполнении выполнены по схемам, ана­ логичным схемам мультивибраторов на транзисторах и содержат, кроме основных, элементы коррекции формы импульсов, элементы, необходимые для исключения режима насыщения и, следовательно, жесткого режима самовозбуждения, а также защитные (охранные) диоды. Некоторые мультивибраторы в интегральном исполнении могут ра­ ботать без дополнительных времязадающих конденсаторов, другие нуждаются в обяза­ тельном их включении.

Блокинг-генератор на элементе заторможенного блокинг-генератора можно выпол­ нить путем добавления импульсного трансформатора, времязадающего конденсатора и конденсатора в цепи коллекторного питания и в цепи источника напряжения, запира­ ющего транзисторы.

В настоящее время в качестве одного из основных элементов устройств формирова­ ния и преобразования импульсов применяется интегральный таймер (ИТ) [10, 58], пред­ ставляющий собой монолитную интегральную микросхему, на базе которой можно вы­ полнить различные устройства формирования стабильных временных интервалов.

2. АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Автоколебательный мультивибратор в интегральном исполнении выполнен аналогич­ но симметричному мультивибратору с коллекторно-базовой положительной обратной связью [59], схема которого изображена на рис. 4.1, а. Принцип его работы заключается в следующем. В установившемся режиме автоколебаний транзисторы VT1 и VT2 перио­ дически отпираются и запираются. Пусть, например, в момент t = 0 (рис. 4.1, б) тран­

зистор VT1 запирается, а транзистор VT2 отпирается. Зарядившийся во время предыду­ щей стадии работы конденсатор С1 будет разряжаться через открывшийся транзистор VT2 (участок коллектор — эмиттер), источник питания Ек и резистор R1. Если учесть, что потенциал коллектора открытого транзистора VT2 пренебрежимо мал, то можно счи­ тать, что транзистор VT1 при разряде конденсатора С/ удерживается в закрытом состоя­ нии напряжением иС1 на этом конденсаторе (иб1 = ые1). Ввиду того, что разряд конден­

сатора происходит через источник питания Як>конденсатор С/, разряжаясь, стремится перезарядиться до напряжения —£ к. Описываемая стадия работы мультивибратора заканчивается в момент tuli при котором напряжение иС1 на конденсаторе CI и, следо­

вательно, напряжение u6L достигнут напряжения отпирания транзистора4 примерно рав­

82

ного нулю. В результате отпирания транзистора VT1 начинается стадия опрокидывания мультивибратора и переход транзистора VT2 в закрытое состояние. В дальнейшем про­ цессы повторяются.

Как видно из рис. 4.1, б, на коллекторе закрытого транзистора образуется импульс почти прямоугольной формы, имеющий сравнительно пологий фронт экспоненциальной формы. Наличие такого фронта объясняется тем, что при запирании транзистора, напри­ мер VT1, происходит заряд конденсатора С2 через резистор RKтранзистора VT1 и учас­ ток база — эмиттер транзистора VT2. Если учесть, что в конце предыдущей разрядной стадии на конденсаторе С2 было почти нулевое напряжение, а сопротивление участка ба­ за — эмиттер открывшегося транзистора VT2 много меньше сопротивления /?к, то можно считать, что начальное напряжение на коллекторе закрывающегося транзистора мало от­ личается от нуля. При этом почти все напряжение источника питания £ к падает на ре­ зисторе RK. Ток заряда в этот момент времени почти равен EK/RKи по мере заряда кон­ денсатора уменьшается, стремясь к нулю. Напряжение на коллекторе закрытого тран­ зистора поэтому практически равно напряжению на заряжающемся конденсаторе. Чтобы

увеличить скорость нарастания напряжения на коллекторе, необходимо уменьшить за­ рядное сопротивление # к, но это приводит к нежелательному увеличению потребляемого мультивибратором тока и рассеиваемой им мощности.

Для исключения экспоненты на фронте коллекторного импульса в цепь заряда кон­ денсатора, последовательно с ним, необходимо включить корректирующий (отсекающий) диод V u l (рис. 4.2), не пропускающий зарядный ток через коллекторный резистор. Для обеспечения процесса заряда конденсатора добавляется зарядный резистор R3 (рис. 4.2, а). При разряде конденсатора С2 диод VD1 оказывается открытым.

Для обеспечения ненасыщенного режима работы открытого транзистора использу­ ется нелинейная отрицательная обратная связь, создаваемая с помощью диода VD3 и делителя R1R3R5 (рис. 4.2, а). При закрытом транзисторе VT1 диод VD3 закрыт и не влияет на процессы, протекающие в мультивибраторе. При отпирании транзистора VT1 диод VD3 закрыт до тех пор, пока уменьшающее напряжение wKl не станет меньше напря­ жения на аноде VD3. При отпирании этого диода между входом и выходом транзистора VT1 образуется цепь отрицательной обратной связи, препятствующей дальнейшему уменьшению напряжения « к1 и переходу транзистора VT1 в состояние насыщения. На­

сыщение будет исключено, если напряжение на резисторе R3 будет больше напряжения на открытом диоде VD3. В этом случае коллекторный переход к 77 останется смещенным в обратном направлении. По описанной схеме выполнен (рис. 4.2, а) автоколебательный мультивибратор серии 119.

Для определения периода колебаний этого мультивибратора необходимо использо­ вать эквивалентную схему разряда одного Конденсатора, например, С1 (рис. 4.2, б). При составлении этой схемы не учитываются пренебрежимо малые токи закрытых тран­ зистора VT1 и диода VD3. Напряжения на открытом отсекающем диоде правой половины схемы мультивибратора и на открытом транзисторе VT2 на схеме рис. 4.2, а учтены ис­ точником 2UD, где UD — напряжение на открытом диоде (на участке коллектор — эмит­

тер). Начальное напряжение на зарядившемся конденсаторе С/

иО(0 ) = £к — Upt

где под UD понимается напряжение на участке база — эмиттер, через который заряжа­ ется конденсатор. Согласно эквивалентной схеме конденсатор при разряде стремится

83

перезарядиться до напряжения

ис (оо) = — Ек экъ + 2UD,

где ^К.ЭКВ = W ( * i + Яз + ^б).

Если принять напряжение отпирания транзистора равным нулю, то в момен? окон­ чания импульса, длительность /и которого равна времени разряда конденсатора, напря­ жение на конденсаторе ис (/„) = 2UD. Следовательно, длительность импульса

Емкость С симметричноп/мультивибратора при заданном периоде рассчитывается"согласно выражению (4.4). Так, при Т = 103 мкс

С = 103/7 103 « 0 ,1 4 мкФ.

Для исключения пробоя параллельно участку база — эмиттер транзистора включа­ ется защитный диод VD5 (рис. 4.3, а), отпирающийся при запирании транзистора и огра-

й rfe]

Ш Н Я Г

м з miю9 в

ничивающин напряжение на его базе. Левую обкладку конденсатора С1 непосредственно к базе транзистора VT1 подключать нельзя, так как в этом случае конденсатор быстро разрядился бы через открытый диод VD5, Поэтому нижний конец резистора R5 (рис. 4.3, а) подключается не к корпусу, а к базе транзистора. Режим насыщения тран­

Если учесть, что транзистор отпирается в момент, когда левая обкладка конденсатора имеет потенциал, близкий к нулю, то на конденсаторе в момент окончания процесса

84

разряда, продолжительность которого равна длительности импульса ?и, будет напряжение

«с (*и) = 2 UD.

Конденсатор при разряде согласно эквивалентной схеме стремится перезарядиться до напряжения

ис (°°) = — [№к + ^ D) R»/(RI ~Ь R3 "Ь Re) —

Начальное напряжение на разряжающемся конденсаторе

где у = UD/EK.

Анализвыражения (4.5) для длительности импульса показывает, что можно найти такое соотношение между сопротивлениями резисторов R±, Rs и Я8, при котором дли­ тельность импульса будет мало зависеть от значения напряжения UD на диодах и пере­

ходах транзисторов. Для этого выражение (4.5) необходимо преобразовать к виду

Длительность импульса не будет зависеть от UD при Rit R9 и Я5, обеспечивающих равенство нулю числителя дроби под знаком логарифма:

№* + Л .)(1 - 2 у ) - / г ь (1 + 2 у) = 0 . откуда R6/(R1+ R3) = (1 — 2 у) /( 1 + 2у).

Если учесть, что в диапазоне рабочих температур у изменяется в некоторых преде­ лах, то оптимальным можно считать соотношение между Rbи Ri + i?3, определенное для среднего по диапазону рабочих температур значению у.

Период колебаний при симметрии схемы (С* = Са)

Т = 2 /н.

Функциональная схема автоколебательного мультивибратора типа 218ГФ1 с навес­ ными конденсаторами С1 и С2 изображена на ptoc. 4.3, в.

3.ЗАТОРМ ОЖЕННЫЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Заторможенные мультивибраторы в интегральном исполнении представляют собой мультивибраторы с коллекторно-базовой положительной обратной связью с одним (се­

85

поэтому напряжение на базе транзистора VT1, соединенной с коллектором транзистора VT2 с помощью делителя R2R3, близко к нулю и транзистор VT1 закрыт, а конденсатор С заряжен до напряжения ис (0) = Ек — UD, где UD — напряжение на базе. Диод

VD1 и резистор R3 здесь, как и в автоколебательном мультивибраторе, обеспечивают коррекцию формы импульса на коллекторе транзистора VT1.

Подаваемый на вход запускающий импульс положительной полярности дифферен­ цируется с помощью цепи C1R1> если длительность импульса больше ее постоянной вре­ мени. Образовавшийся в результате дифференцирования короткий импульс положитель­ ной полярности через диод VD2 поступает на базу транзистора VT1 и отпирает его. На­ пряжение на его коллекторе падает, конденсатор С начинает разряжаться через корректи­ рующий диод VD1, открывшийся транзистор VT1, источник питания Ек и резистор R. Напряжение и62 начинает уменьшаться, транзистор VT2 — закрываться. Напряжение

изап

жению + £ к, не достигнет близкого к нулю напряжения отпирания транзистора. Кон­ денсатор С во время этого процесса разряжается, стремясь перезарядиться до напря­ жения

ис (оо) = — £ к + 2 UD,

где 2 UD — напряжение на диоде VD1 и коллекторе транзистора VTU

В момент /и отпирания транзистора VT2, когда прекращается процесс разряда кон­ денсатора С, напряжение

Для нормальной работы мультивибратора необходимо выполнить условие восста­ новления. Для этого конденсатор С должен зарядиться через резистор /? 3 раньше, чем

86

Принципиальная схема з а т о р м о ж е н н о г о м у л ь т и в и б р а т о р а с е ­ р и и 218 показана на рис. 4.5, а. Работа этого мультивибратора заключается в сле­ дующем. В исходном состоянии, в установившемся режиме токи через конденсаторы С/ и С2 не протекают. База транзистора VT2 при этом оказывается с помощью резистора R5 соединенной с корпусом. Поэтому транзистор VT2 закрыт, а конденсатор С1 через резистор R3, R2 и участок база — эмиттер VT2 заряжен до напряжения

иС1 (0) = EK - U D - U R = EK - U D - R 2 (Ек- и М Ъ + R,)t

где UD — напряжение на участке база — эмиттер транзистора VTI,

и С2 (0) =

где 2UD — напряжение на отсекающем (корректирующем) диоде VD1 и коллекторе от­

крытого транзистора VTL Защитные диоды VD3 и VD6 при этом закрыты.

Подаваемый на вход запускающий импульс отрицательной полярности дифферен­ цируется. Образовавшийся при этом короткий импульс отрицательной полярности, пройдя через диоды VD4 и VD5, попадает на базу открытого транзистора VT1 и начинает закрывать его. Последовательно включенные диоды VD4 и VD5 повышают помехоустой­ чивость мультивибратора. При запирании транзистора VT1 начинается процесс отпира­ ния транзистора VT2. Происходит лавинный процесс опрокидывания мультивибратора. Ранее зарядившийся конденсатор С1 начинает разряжаться, обеспечивая закрытое со­

где 3UD — напряжения на диодах VD2f VD3 и на коллекторе открытого транзистора

VTL

87

В. зависимости от соотношения емкостей конденсаторов С1 и С2, стадия генерирова­ ния импульса, во время которой С1 разряжается, а С2 — заряжается, может закон^^ься или вследствие открывания закрытого транзистора, VT1 или вследствие выхода И3 на­ сыщенного и перехода в активное состояние транзистора VT2.

В первом случае постоянные времени заряда С2 и разряда С1 рассчитываются так, чтобы стадия генерирования импульса закончилась при открывании транзистора *Т1, вызванном разрядом конденсатора С1 до напряжения

где Y = £ V e K-

Длительность импульса будет определяться выражением (4.9), если ток базы откры­ того транзистора VT2 в момент t = /„ достаточен для удержания его в режиме насыщения:

*62 Ри) > *к2

где 1к2 — ток коллектора транзистора VT2\ Р — коэффициент усиления тока базы*

В виду того, что

*к2 (*н) = [№ к - UD)/(RKR3)] (/?„ + Лз),

где UD — напряжение на коллекторе открытого транзистора, условие, при выполнении

которого длительность импульса определяется разрядом конденсатора С1 при RK^ R39 имеет вид

где у = UD/Ek.

Второй случай характеризуется невыполнением условия (4.10). Длительность импуль­ са при этом определяется формулой, которая получается из соотношения

*к2 (*и) — Р*б2 (*и).

откуда

Емкость конденсатора С1 при этом должна быть рассчитана в соответствии с неравен­ ством

из которого следует, что для обеспечения независимости /и от у достаточно выполнить условие Rt = R2. При этом /„ ^ 0,7тр1.

С целью уменьшения потребных емкостей конденсаторов целесообразно параллельно конденсатору С2 включить резистор R \ который обеспечивает насыщенное состояние тран-

88

зистора VT2 и после окончания заряда конденсатора С2. В этом случае конденсатор С2 выполняет роль ускоряющего конденсатора, а хронирующим становится только конден­

+ £/г ^

тора. С этой целью один из времязадшощих конденсаторов, например С/, необходимо оставить, а в цепи второй обрат­ ной связи вместо конденсатора С2 (см. рис. 4.2, в) включить резистор R7 делителя R7R8, с нижней стороны подключен­ ного к источнику запирающего напряжения Е(5 = —3 В (рис. 4.6, а). В этом случае в исходном состоянии транзи­ стор VT2 будет закрыт, а конденсатор С1 заряжен. При по­ даче запускающего импульса положительной полярности

через цепь СЗ, R9 и диод VD5 транзистор VT2 откроется, мультивибратор опрокинется. Ранее зарядившийся конденсатор С/, разряжаясь, будет удерживать транзистор VT1 в закрытом состоянии в течение времени /и, определяемого выражением (4.9). В момент t — = tHтранзистор VT1 откроется, мультивибратор перейдет в исходное состояние, а конден­ сатор С1 снова зарядится до максимального напряжения.

Период следования запускающих импульсов должен быть больше длительности им­ пульса на время заряда конденсатора:

^= ~Ь 5/?3Cj.

Впротивном случае конденсатор к моменту прихода запускающего импульса не успеет зарядиться и длительность импульса станет зависеть и от периода Г.

Сопротивления резисторов необходимо рассчитать так, чтобы транзистор VT2 был за­ крыт при открытом и насыщен при закрытом транзисторе VT1. Для этого необходима экви­

валентная схема коллекторно-базовой цепи транзисторов VT1 и VT2 при закрытом (рис. 4 .6 , б) и при открытом (рис. 4.6, в) транзисторе VT1.

Закрытое состояние транзистора VT2 будет обеспечено, если напряжение на его базе

Насыщенное состояние транзистора VT2 при отсутствии диодов VD3 и VD4 будет обеспечено, если, согласно рис. 4.6, в, его базовый ток

«62 = (ЕК - UD) W , + fl4) + (£к - Ud)/(R3 + Я,) - (UD/R,) - (Еб + Ud)/Rв

89

10) кОм.

4.АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ БЛОКИНГ-ГЕНЕРАТОРЫ

Всерии 119 имеется элемент блокинг-генератора, который можно использовать не только для построения заторможенного, но и автоколебательного генератора. Для этого необходимо к элементу блокинг-генератора добавить импульсный трансформатор и время-

задающий конденсатор. Кроме того, необходимы конденсатор развязывающего фильтра

1*8

ран усилитель запуска, обеспечивающий развязку блокинггенератора и источника запускающих сигналов. Транзистор VT1 в диодном включении служит для шунтирования коллекторной обмотки трансформатора с целью уменьшения послеимпульсного выброса. Резистор R1 является эле­

ментом фильтра развязки по цепи питания. Резисторы R3R4 и R5R6 образуют делители напряжения источника питания для создания напряжений запирания транзисторов

VT2 и VT3.

90