Электротехника и электроника. Ч II. Электрические и электронные аппараты и устройства (стр. 17 )

tв=RC1n[(2R1+R2)/(R1+R2)] (6.11),

и оно всегда много меньше длительности импульса.

Рис.6.16.

Блокинг-генератор.

БГ - автогенератор с сильной трансформаторной положительной обратной связью, предназначенный для генерирования кратковременных импульсов с большим отношением периода Т к длительности t импульса, т. е. с большой скважностью импульсов (q = T/t). Схема блокинг-генератора и временные диаграммы работы показана на рис.6.17. Обмотка связи подключена к переходу эмиттер-база транзистора VT последовательно через конденсатор С. При включении питания схемы небольшое нарастание коллекторного тока через обмотку связи вызывает появление и рост базового тока. Этот процесс лавинообразный и приводит к переходу транзистора в состояние насыщения. Однако, этим же током конденсатор С заряжается, тем самым уменьшая напряжение база-эмиттер. При достижении равенства напряжения зарядки конденсатора напряжению на обмотке связи ток базы и соответственно ток коллектора резко спадают до нуля. В выходной обмотке формируется почти прямоугольный импульс напряжения. Поскольку, с этого момента напряжение обратной связи почти нулевое, напряжение отрицательной полярности конденсатора С прикладывается к переходу база-эмиттер и переводит транзистор в состояние отсечки. Далее начинается процесс разряда конденсатора С экспоненциально через R от источника питания. При достижении напряжения открывания, начинается лавинообразный рост тока транзистора и формирование нового импульса, т. е. процесс становиться периодическим. Характерное время зарядки конденсатора С равно tз=Сrэб, а время разрядки tр=СR. Поскольку обычно выбирают R>>rэб, то и Т>>t.

Рис. 6.17.

Генераторы линейно изменяющегося напряжения.

Устройства, предназначенные для формирования линейно изменяющегося напряжения называют генераторами ЛИН (сокращённо ГЛИН). Осциллограммы выходного напряжения генераторов напоминают зубья пилы, поэтому их часто называют генераторами пилообразного напряжения. В зависимости от наклона форма пилы бывает прямой, обратной и треугольной. Линейность напряжения оценивается коэффициентом нелинейности, который определяется по формуле

(6.13),

где U'(0) — первая производная напряжения по времени (скорость изменения ЛИН) в начале рабочего хода; U'(Т) — тоже в конце рабочего хода.

Принцип построения генераторов ЛИН основан на заряде конденсатора постоянным или почти постоянным током. Тогда напряжение на конденсаторе пропорционально времени заряда:

(6.14),

где С ёмкость конденсатора, ток I = const. ГЛИН могут работать либо в ждущем, либо в автоколебательном режиме. Все ГЛИН можно разделить на три типа:

а) с интегрирующей RC-цепочкой;

б) с токостабилизирующим двухполюсником;

в) с компенсирующей обратной связью (ОС).

В простейшем случае а) основой ГЛИН является интегрирующая RC-цепочка. Такой генератор может быть реализован на основе транзисторного ключа VT (рис.6.18.). В ждущем состоянии транзисторный ключ находится в режиме насыщения, т. е. напряжение Uвых равно нулю. При подаче в момент времени t1 запирающего импульса напряжения транзистор входит в режим отсечки, и конденсатор С заряжается через Rк от источника питания UП. В момент времени t2 транзистор вновь входит в режим насыщения, и конденсатор через малое сопротивление коллектор-эмиттер транзистора разряжается.

Рис.6.18.

Если промежуток времени T = t2 - t1 гораздо меньше RкC напряжение на емкости изменяется по линейному закону. Для предотвращения пробоя транзистора (например, при увеличении длительности входного импульса) к его коллектору подключен диодный ограничитель VD. Как только напряжение на емкости достигнет уровня Uo, диод VD открывается и напряжение Uвых, удерживается на уровне Uo. Существенным недостатком данной схемы является то, что для получения малого коэффициента нелинейности необходимо, чтобы напряжение питания генератора Е было гораздо (на порядок и более) больше амплитуды ЛИН. Коэффициент нелинейности данной схемы генератора, полученный с помощью выражения (6.13), равняется g = T/RkC. Достоинством данных генераторов является простота их реализации.

ГЛИН второго типа содержат токостабилизирующий двухполюсник, который можно реализовать на биполярных или полевых транзисторах. На рис.6.19 приведена одна из схем таких генераторов.

Рис.6.19.

Схема аналогична приведённой выше, только последовательно в цепь питания встроен полевой транзистор. Для токостабилизации используется линейность стоко-затворной характеристики транзистора VT2. По мере зарядки конденсатора С падение напряжения на сопротивлении Rк уменьшается, что приводит к уменьшению сопротивления транзистора и стабилизации тока заряда.

Рис.6.20.

ГЛИН с компенсирующей обратной связью можно реализовать операционном усилителе ОУ (рис.6.20). Будем считать усилитель близкий к идеальному, т. е. Rвх ~ ¥, Rвых ~ 0, коэффициент усиления К ~ ¥. При размыкании ключа SA осуществляется прямой ход, а при замыкании емкость С разряжается и на выходе устанавливается нулевое напряжение. Сопротивление R подключено к источнику стабильного напряжения -Е. Поскольку входной ток и входное напряжение ОУ практически равны нулю, конденсатор С заряжается почти постоянным током, и напряжение на нём нарастает по линейному закону. Система уравнений, описывающих поведение схемы будет

(6.15).

Решая относительно выходного напряжения, получим

(6.16).

Решение этого уравнения при начальных условиях t = 0, Uвых = 0 имеет вид

(6.17).

Видно, что заряд конденсатора происходит также по экспоненте, только характерное время увеличивается в К раз. Кроме того, максимальное значение выходного напряжения не может превышать напряжения питания ОУ. Коэффициент нелинейности, полученный из выражений (6.13), равняется g = 1/К. Отсюда следует, что при среднем коэффициенте усиления ОУ К = 103-4 коэффициент нелинейности составляет доли процента.

7. Цифровые электронные устройства.

7.1. Элементы цифровой логики.

В цифровых устройствах и схемах обработка и передача информации производится с помощью двоичного кода, когда информационные сигналы могут принимать только два значения 1 и 0. Элементы схем, обрабатывающие такие сигналы также называют логическими.

Рис.7.1. Схемная реализация элементов, таблица истинности и обозначение элемента.

Если 1 соответствует наличию сигнала, а 0 его отсутствие то логику называют положительной. Наоборот, если логической единице соответствует низкий логический уровень, а логическому нулю – высокий, то говорят об отрицательной логике. Простейшие логические элементы, реализованные на полупроводниковых приборах приведены на рис.7.1.

Для реализации «НЕ» обычно используют один усилительный каскад с общим эмиттером. Элементы «ИЛИ» и «И» реализуются на простых диодах.

Рис.7.2.

Элементы «НЕ», «ИЛИ», «И» составляют полную базу, с помощью которой можно образовывать любую логическую функцию. Однако оказывается, что полную базу может образовывать и один логический элемент «И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ». На рис.7.2 показана реализация элементов «НЕ», «ИЛИ», «И» с помощью «ИЛИ-НЕ», а на рис.7.3. с помощью «И-НЕ».

Рис.7.3.

Использование только одного базового элемента позволяет упростить разработку и создание сложных цифровых логических схем.

Базовые логические элементы.

Основой построения цифровых интегральных схем являются базовые логические элементы. Они различаются схемотехническими принципами и типом использованных электронных приборов. С учётом исторического развития различают следующие классы логических элементов (логики):

резистивно-транзисторная (РТЛ);

диодно-транзисторная (ДТЛ);

транзисторно-транзисторная (ТТЛ);

эмиттерно-связанная (ЭСЛ);

транзисторно-транзисторная с диодами Шоттки (ТТЛШ);

МОП-транзисторная с р-каналом (р-МОП);

МОП-транзисторная с n-каналом (n-МОП);

на основе комплементарных МОП-транзисторов (КМОП);

интегрально-инжекционная (И2Л);

арсенидо-галлиевая (GaAs).

Они различаются следующими параметрами.

·  Быстродействием – временем задержки распространения сигнала tзд, и максимальной рабочей частотой.

·  Входными напряжениями логических нуля и единицы. Выходными напряжениями логических нуля и единицы.

·  Напряжением питания и потребляемой мощностью. Коэффициентом разветвления по выходу и коэффициентом объединения по входу.

·  Помехоустойчивостью.

В настоящее время наиболее широко используется ТТЛШ и КМОП логики.

Базовый элемент ТТЛ (Рис.7.4) состоит из входного многоэмиттерного транзистора, выполняющего операцию «И» и сложного инвертора. Многоэмиттерный транзистор сконструирован так, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой переход. Данный элемент выполняет функцию «И-НЕ». Если хотя бы на одном входе присутствует низкий логический уровень, то многоэмиттерный транзистор находится в состоянии насыщения, VT2 и VT4 закрыты и на выходе логическая 1. При логической 1 на всех входах VT2 и VT4 открыты и на выходе логический 0. Выпускаются микросхемы ТТЛ с повышенной нагрузочной способностью, с открытым коллектором и с третьим высокоимпедансным состоянием. Напряжение питания 5 В ± 5%.