Контрольные вопросы и упражнения

вращается к начальному уровню. Если изменение напряже­ ния происходит от меньшего к большему, то его называют линейно-нарастающим. Если же изменение напряжения происходит от большего абсолютного значения к меньшему, то оно называется линейно-падающим. Линейно-изменяю- щееся напряжение иногда называют напряжением пилооб­ разной формы.

Типичная форма периодических импульсов линейно-из- меняющегося напряжения представлена на рис. 19.1.

Рис. 19.1. Форма реальных импульсов линейно-изме- няющегося напряжения

Линейно-изменяющееся напряжение характеризуется

В подавляющем большинстве случаев изменение напряже­

ис — напряжение на конденсаторе; С — емкость конденса­ тора.

Следовательно, для линейного изменения напряжения

dU

Uc, т. е. для получения -gy- = const в течение всего рабо­

чего хода, необходимо обеспечить постоянство тока ic в течение tpaб.

Генераторы линейно-изменяющегося напряжения могут работать в режимах внешнего управления, ждущем режиме, автоколебательном и режиме синхронизации.

Врежиме внешнего управления длительность рабочего хода определяется длительностью управляющего импульса.

Вждущем режиме короткий управляющий импульс задает лишь начало рабочего хода. Длительность рабочего хода оп­ ределяется времязадающими элементами схемы генератора.

Автогенераторные схемы работают без каких-либо внеш­ них управляющих импульсов.

Врежиме синхронизации частота генерируемых колеба­ ний пилообразной формы кратна частоте внешних синхро­ низирующих импульсов.

19.2.ГЕНЕРАТОР ЛИНЕЙНО-ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ С РАЗРЯДНЫМ ТРАНЗИСТОРНЫМ КЛЮЧОМ

Схема простейшего генератора пилообразного напряже­ ния представлена на рис. 19.2, а. Диаграммы напряжений, поясняющие работу схемы, показаны на рис. 19.2, б. Ге­ нератор относится к схемам, работающим в режиме внешне­ го управления.

Рис. 19.2. Принципиальная схема и временные диаграммы напряже­ ний генератора линейно-изменяющегося напряжения с разрядным транзисторным ключом

Генератор состоит из насыщенного транзисторного клю­ ча и конденсатора С, который за время рабочего хода заря>i ается от источника Ек через резистор 7?к.

В исходном состоянии транзистор VT открыт и насы­ щен. Насыщение транзистора обеспечивается, если i6 ж

Если транзистор VT находится в состоянии насыщения, то начальное напряжение на его коллекторе, а, следовательно,

транзистор находится в состоянии насыщения, то наблю­ дается задержка на время начала рабочего хода относитель­ но начала управляющего импульса, в течение которой про­ исходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе. Однако t3 по сравнению с tynp на практике пренебрежимо мало и может не учитываться.

После запирания транзистора конденсатор С начинает заряжаться от источника Ек через резистор RKв результате чего формируется рабочий ход выходного импульса. К кон­ цу рабочего хода выходное напряжение достигает уровня Um.

Определим коэффициент нелинейности у рассматривае­ мой схемы. Обозначим ток заряда конденсатора в начале ра­

Следовательно, для того чтобы получить приемлемую величину, следует выбирать напряжение источника Ек зна­ чительно больше требуемой амплитуды пилообразного напряжения Uш. При этом величина Ек может быть даже

больше допустимого напряжения {Ук.доп на коллекторе транзистора.

стор окажется закрытым в течение времени, превышающем /раб» либо произойдет обрыв цепи конденсатора С, то как только напряжение на коллекторе транзистора достигнет уровня Еф, диод VD откроется и зафиксирует выходное напряжение на этом уровне.

В момент окончания входного управляющего импульса транзистор открывается и переходит в режим насыщения. Конденсатор быстро разряжается до начального напряже­ ния, примерно равного нулю. Длительность обратного хода

/о б р /раб*

В рассмотренной схеме для увеличения линейности из­ менения выходного напряжения нужно увеличивать раз­ ность между Um и Ек, что можно получить только снизив эффективность использования источника питания Ек. Это ограничивает область применения схемы. Однако, благо­ даря своей простоте генератор широко применяется, когда амплитуда выходного напряжения Um имеет порядок еди­ ниц вольт, а коэффициент нелинейности не превышает 5 %.

19.3. ГЕНЕРАТОР ЛИНЕЙНО-ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ С ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Как указывалось в 19.1, линейность пилообразного напряжения может быть повышена, если обеспечить постоян­ ство зарядного (или разрядного) тока конденсатора в те­ чение рабочего хода. Достигается это различными способа­ ми. Наиболее распространенный способ состоит в приме­ нении компенсирующего напряжения, которое изменяется по тому же закону, что и напряжение на конденсаторе. Тогда ток заряда (разряда) конденсатора будет постоянен.

В схеме рис. 19.3 компенсирующее напряжение получа­ ется как напряжение обратнойч связи, снимаемое с допол­ нительного усилительного каскада. Это же напряжение является выходным напряжением генератора.

Схема состоит из насыщенного ключа, выполненного на транзисторе VTI, и эмиттерного повторителя, выполнен­

ного на транзисторе VT2. Коэффициент усиления эмиттерного повторителя по напряжению близок к единице. Ем­ кость конденсатора С0 значительно больше емкости конде.

сатора С.

В исходном состоянии транзистор VTI открыт и насы­ щен, что обеспечивается выбором сопротивления резисто­ ра R6, так же как и схемы на рис. 19.2, а, из условия (19.1). Конденсатор С разряжен и напряжение на нем, а, следова­ тельно, и на выходе схемы UВыХ, близко к нулю. Конденса­ тор С0 заряжен от источника Екчерез выходное сопротивле­ ние эмиттерного повторителя

и открытый диод VD почти до величины напряжения источ­ ника Ек.

При подаче на вход схемы управляющего импульса поло­ жительной полярности, тран­ зистор VTI закрывается и конденсатор С начинает заря­ жаться от источника Ек через резистор RK и диод VD. По мере заряда конденсатора на­ пряжение на выходе UBых на­

чинает увеличиваться по абсолютной величине (становится более отрицательным). Как только | Свых + Ссо| превысит величину | Ек |, диод VD закроется и дальнейший заряд кон­ денсатора С будет Происходить за счет энергии, запасенной в конденсаторе С0. Диод практически закрывается в самом начале рабочего хода.

По мере заряди конденсатора С потенциал точки «а» (рис. 19.3) становится более отрицательным. Одновременно изменение напряжения на конденсаторе передается с выхо­ да эмиттерного повторителя через конденсатор С0 в точку «б» и потенциал точки «б» изменяется также, как и потен­ циал точки «а». Разность потенциалов между точками «а» и «б», т. е. падение напряжения на резисторе #, в течение рабочего хода остается примерно постоянным.

Таким образом, ток заряда конденсатора С, протекаю­ щий через резистор R , в течение рабочего хода остается постоянным, что позволяет обеспечить высокую линейность выходных импульсов генератора.

После окончания управляющего импульса транзистор V T 1 переходит в состояние насыщения и конденсатор С

быстро разряжается. Как только | [/ВЫх + Uco | становится равным | Ек |, диод VD открывается и конденсатор С0 дозаряжается от источника Ек до исходного уровня.

Рассмотренная схема генератора позволяет получить коэффициент нелинейности у = (1...3) % при амплитуде выходных импульсов Um ^ 0,9ЕК.

19.4. ГЕНЕРАТОР ЛИНЕЙНО-ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Принципиальная схема генератора представлена на рис. 19.4, а, а на рис. 19.4, б показаны диаграммы напряже­ ний, поясняющие работу схемы. Генератор с отрицатель­ ной обратной связью позволяет получить линейно-изменяю- щееся напряжение с коэффициентом нелинейности единицы и даже доли процента. Высокая линейность обеспечивается

Рис. 19.4. Принципиальная схема и временные диаграммы напряжений генератора линейно-изменяющегося напряжния с отрицательной обрат­ ной связью

за счет большого коэффициента усиления по напряжению усилительного каскада. Отрицательная обратная связь осуществляется с помощью конденсатора С, включенного между базой и коллектором транзистора VT.

При отсутствии управляющего импульса UBXдиод VD от­ крыт и под действием источника Ек через диод и резисторы R \, R2 и R протекает ток, обеспечивающий при соответст­

При поступлении входного импульса 1/вх отрицательной пс\,арности диод закрывается, ток через резисторы R\ и R2 прекращается и напряжение U6 скачком снижается на ве­ личину ДU (рис. 19.4, б). Этот скачок напряжения через конденсатор С передается на коллектор транзистора, еще больше понижая напряжение UK. Транзистор VT начинает открываться и конденсатор перезаряжается через источник питания £ к, выходную цепь транзистора VT и резистор R . По мере разряда конденсатора транзистор будет открыва­ ться, компенсируя уменьшение тока разряда. Этот разряд б\ дет продолжаться до тех пор, пока будет длиться управ­ ляющий импульс.

После окончания управляющего импульса диод VD открывается, что приведет к запиранию транзистора. Кон­ денсатор С вновь зарядится, а выходное напряжение при этом понизится до величины UK= Ек — /Ко/?к-

Амплитуда выходного импульса достигает в этой схеме величины Um « 0,9£к.

19.5. ГЕНЕРАТОР ЛИНЕЙНО-ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ ФАНТАСТРОННОГО ТИПА

Все рассмотренные схемы генераторов линейно-изме- няющегося напряжения работают в режиме внешнего уп­ равления. Автоколебательный режим генератора может быть получен, если управлять работой ранее рассмотренных схем при помощи симметричного самовозбуждающегося мультивибратора. Режим синхронизации и деления часто­ ты может быть выполнен также, как и в схемах мультивиб­ раторов.

В данном параграфе рассмотрим работу схемы генерато­ ра, работающего в ждущем режиме. Эта схема получила название фантастрона (рис. 19.5, а). Короткий управляю­ щий импульс Uвх положительной полярности вызывает генерацию одного импульса пилообразного напряжения, определяемого параметрами фантастрона. На рис. 19.5, б представлены диаграммы напряжений, поясняющие рабо­ ту схемы.

Генератор фантастронного типа представляет собой соче­ тание двух устройств — триггера с эмиттерной связью на транзисторах VT2 и VT3 с транзистором VT\ в качестве эмиттерного сопротивления связи и генератора линейноизменяющегося напряжения с каскодным инвертирующим усилителем на транзисторах VT2 и VTI.

В исходном состоянии устойчивого равновесия транзи­ сторы VTI и VT3 открыты и насыщены. Насыщение их обес­ печивается соответствующим выбором резисторов R, R4 и /?5. Делитель R2R3 выбирается таким образом, чтобы потенциал базы транзистора VT2 был выше потенциала его эмиттера. Тогда VT2 в исходном состоянии будет закрыт. Конденсатор С, который обеспечивает во время ра­ бочего хода линейно-изменяющееся напряжение, в исходном

VT2 ; Оби — напряжение на базе насыщенного транзистора

V T 1.

Поступление на вход схемы управляющего импульса выводит транзистор VT3 из состояния насыщения в актив­ ный режим. Потенциал коллектора этого транзистора ста­ новится более отрицательным, вследствие чего транзистор VT2 открывается. Положительное приращение напряже­ ния с его коллектора поступает через конденсатор С на базу транзистора VT1 , который выходит из состояния на­ сыщения и подзапирается. Понижение потенциала коллек­ тора транзистора VT\ способствует ускорению запирания транзистора VT3, которое было вызвано управляющим импульсом. Процесс развивается лавинообразно и заканчи­ вается полным запиранием транзистора VT3. Транзисторы VTI и VT2 остаются в активном режиме.

Г л а в а 20

ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ

УСИЛИТЕЛЯХ

20.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Вимпульсных устройствах в настоящее время широкое распространение получили схемы, выполняемые на инте­ гральных операционных усилителях с положительной и отрицательной обратной связью различного типа, которые позволяют реализовать функции, подобные функциям мно­ гих рассмотренных выше схем.

20.2.ИНТЕГРАТОР И ДИФФЕРЕНЦИАТОР

Схема интегратора на операционном усилителе пред­ ставлена на рис. 20.1, б. Эта схема идентична инвертирую­ щему усилителю, в котором вместо резистора обратной связи включен конденсатор.

В соответствии с принципом «мнимой земли» ток и на­ пряжение между входными зажимами операционного усилителя равны нулю. Следовательно, для схемы па

Рис. 20.1. Принципиальные схемы интегратора и дифференциатора на основе ОУ

рис. 2 0 .1 , б можно записать ix = i2; ивх = ixR = i2R; ивъIX=

= — J i2dt. Решая приведенные уравнения совместно,

получим

Знак «минус» в выражении (20.1) показывает, что выход­ ное и входное напряжение сдвинуты по фазе на 180°

При подаче на вход схемы импульсов прямоугольной формы интегратор может использоваться, как генератор

линсйно-изменяющегося напряжения формы, близкой к треугольной, работающей в режиме внешнего управления.

По сравнению с интегратором в дифференциаторе ре­

Таким образом, выходное напряжение схемы пропорци­ онально скорости изменения входного напряжения. Знак «минус» в выражении (2 0 .2 ) показывает, что выходное и входное напряжения сдвинуты по фазе на 180°.

20.3. КОМПАРАТОРЫ

Компараторы предназначены для сравнения электриче­ ского сигнала с опорным напряжением. Опорное напряже­ ние может быть положительным, отрицательным или рав­ ным нулю. Компараторы находят применение в генерато­ рах колебаний прямоугольной формы, в генераторах линейно-изменяющегося напряжения, в детекторах нуля, в детекторах заданного уровня.

Рис. 20.2. Принципиальные схемы и временные диаграммы напряжений детекторов нуля

В качестве компараторов могут использоваться опера­ ционные усилители или специальные интегральные микро­ схемы. Схемы детекторов нуля на ОУ представлены на рис. 2 0 .2 , а и 2 0 .2 , в, а на рис. 2 0 .2 , б и 2 0 .2 , е —диаграммы напряжений, поясняющие работу схем.

Эти схемы позволяют фиксировать момент и направление прохождения входного сигнала UBX через уровень ОВ. В качестве входного сигнала могут использоваться периоди­ ческие колебания любой формы.

Рассмотрим схему на рис. 20.2, а. Диаграммы напряже­ ний для схемы показаны на рис. 2 0 .2 , б.

Инвертирующий вход ОУ заземлен, а входной сигнал подводится к неинвертирующему входу. Фаза выходного напряжения зависит от знака напряжения на неинверти­

рующем входе. При положительном входном напряжении Uвх выходное напряжение равно положительному напряже­ нию насыщения и иас+, а при отрицательном входном на­ пряжении — отрицательному напряжению насыщения Uliaс-. Переход выходного напряжения от UHас+ к UHас—и наобо­ рот происходит скачком в момент перехода входным напря­ жением уровня нуля. При этом направление изменения выходного напряжения соответствует направлению пере­ хода входного напряжения через нуль (т. е. от положи­ тельного входного напряжения к отрицательному или на­ оборот).

Принцип действия схемы на рис. 20.2, в аналогичен рас­ смотренной. Отличие состоит только в том, что здесь, как следует из диаграмм напряжений на рис. 2 0 .2 , г, направле­ ние изменения выходного напряжения противоположно направлению перехода входного напряжения через уро­ вень нуля.

Схема детектора ненулевого уровня (или детектора за­ данного уровня) представлена на рис. 20.3, а.

Схемы подобного типа позволяют зафиксировать момент достижения входным напряжением заданного уровня, ко­ торый определяется источником опорного напряжения (Уоп.

глубокая положительная обратная связь через делитель напряжения RIR2 и нелинейная отрицательная обратная связь через делитель RC. На рис. 20.4, б представлены диаграммы напряжений, поясняющие работу схемы.

Пусть в начальный момент t0 схема находится в состоя­ нии, показанном на рис. 20.4, а и 20.4, б. В этом случае на выходе мультивибратора существует напряжение, рав­ ное Uнас-}-* На неинвертирующем входе действует напряже­

ние обратной связи, называемое верхним пороговым иапря-

D1

храняется напряжение UBых = (/Hac-f*

При достижении напряжением заряда конденсатора уровня Uпв операционный усилитель переходит в усили­ тельный режим и под действием положительной обратной связи происходит лавинообразный процесс опрокидывания схемы. Выходное напряжение скачкообразно изменяется

20.5. ЖДУЩИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР

Схема ждущего мультивибратора на ОУ и диаграммы на­ пряжений, поясняющие работу схемы, представлены соот­ ветственно на рис. 20.5, а, 20.5, б.

В исходном состоянии выходное напряжение схемы рав­ но (/иас-f. Такое состояние устойчивого равновесия обеспе­ чивается напряжением смещения, которое представляет собой напряжение заряда Uc конденсатора С, равное паде­ нию напряжения в прямом направлении на кремниевом диоде VD (рис. 20.5, а), имеющее порядок 0,5...0,7 В. На неинвертирующем входе действует верхнее пороговое на-

пряжение UnB = R[ R^—Rj -{UH!iC+) > Uc.

Входной запускающий импульс прямоугольной формы преобразуется в два разнополярных остроконечных импуль­ са дифференцирующей цепью Сд/?д. Импульс отрицатель­ ной полярности, выделенный диодом VD и имеющий ампли­

туду, большую и па, переводит ОУ в усилительный режим. Благодаря наличию положительной обратной связи проис­ ходит лавинообразный процесс опрокидывания схемы и Еыходное напряжение меняется от уровня Umc+ до урот ня Uнас— На неинвертирующем входе появляется напряже­

ние обратной связи, равное нижнему порогу срабатывания

П1

и пи — Щнас-)- Одновременно, под действием вы­ ходного напряжения ОУ диод VD1 закрывается и конден-

ве ОУ

сатор С начинает перезаряжаться через резистор R. Как только напряжение заряда на конденсаторе достигнет уров­ ня Uши произойдет новое опрокидывание схемы. Схема перейдет в состояние устойчивого равновесия до прихода очередного запускающего импульса.

Длительность tHформируемого импульса определяется,

как [6 ] tu « RC In ^ 1 Длительность tB восстанов­

ления после опрокидывания схемы в исходное состояние

[61 /в « RC In ^ 1 + /?i Длительность импульса ме­

няется путем изменения коэффициента передачи делителя RIR2. Для того, чтобы получить генерацию положительно­ го импульса, достаточно изменить в схеме рис. 20.5, а по­ лярность включения диодов VD 1 и VD2. В исходном со­ стоянии выходное напряжение равно £/„ас- и на неин­ вертирующем входе действует нижнее пороговое напря­ жение Unu> U c.

При применении ОУ в мультивибраторах следует учи­ тывать, что максимальные напряжения на входах и макси­ мальный выходной ток схемы не должен превышать соот­ ветствующие допускаемые для ОУ значения.