 |
Генераторы прямоугольных импульсов релаксационного типа
|
|
|
|
Генераторы прямоугольных импульсов релаксационного типа
Общие сведения об автогенераторах
Электронные цепи, в которых периодические изменения напряжения или тока возникают без приложения к ним дополнительного периодического сигнала, называются автономными автоколебательными цепями, а устройства выполненные на их основе – автогенераторами или генераторами собственных колебаний. Эти цепи следует рассматривать как преобразователи энергии источника питания постоянного тока в энергию периодических электрических колебаний. Автогенераторы разделяются на генераторы импульсов и генераторы синусоидальных колебаний.
Импульс прямоугольной формы имеет резкие перепады напряжения и тока во время формирования фронта и среза, поэтому их можно отнести к колебаниям релаксационного типа, для которых характерны скачкообразные изменения напряжений и тока. Генераторы, которые вырабатывают такие колебания, называются релаксационными, т. е. это генераторы, у которых изменение состояния отдельных приборов происходит в результате процесса регенерации. Под регенеративным процессом обычно понимают цепи охваченные ПОС.
Петлевое усиление:
K – коэффициент усиления без ОС
– коэффициент усиления с ОС
Баланс фаз:
- фазовый сдвиг
Для возникновения в генераторе релаксационных колебаний необходимо чтобы условия самовозбуждения выполнялись в широком диапазоне частот. Однако, из-за наличия паразитных емкостей в схеме генератора возникают фазовые рассогласования с увеличением круговой частоты. На частотах выше определенных условия самовозбуждения не выполняются, и спектр генерируемых колебаний оказывается ограничен сверху. Отсутствия в спектре колебаний высоких частот сказывается на длительности и срезе прямоугольных импульсов.
|
|
|
В релаксационных генераторах имеются разделительные конденсаторы, в которых обеспечивается рассогласование фаз между входным и выходным напряжениями. Транзисторный усилитель с коллекторной нагрузкой имеет достаточно высокий коэффициент усиления и без учета фазовых искажений сдвиг между выходным и входным напряжением составляет 180 градусов, поэтому возможны два способа обеспечения баланса фаз:
-применение цепи ОС, сдвигающей фазу на 180 градусов. Используется трансформатор, который при соответствующем подключение обмотки обеспечивает сдвиг на 180.
-включение второго каскада усилителя. Реализуется двумя путями. Входы, выходы перекрестно соединяются, т. о. цепь ОС не должна влиять на коэффициент усиления. По такой схеме строятся генераторы периодически повторяющихся прямоугольных импульсов называемых мультивибраторами.
Релаксационные генераторы можно создать, если в качестве элемента ОС использовать резистор, включенный в общую цепь элементов обоих усилительных каскадов. Такой генератор имеет одно устойчивое состояние и его называют одновибратором или ждущим мультивибратором.
Мультивибраторы
Мультивибратором – генератор прямоугольных импульсов релаксационного типа не имеющий устойчивых состояний. Схема мультивибратора может быть реализована на ОУ, на цифровых и дискретных элементах.
Мультивибратор на дискретных элементах, состоит и двух каскадов: RC-усилитель, второй каскад переворачивает фазу колебаний, которая подводится снова к первому каскаду.
Рис. 29
В таком мультивибраторе используют два усилительных каскада охваченные ПОС. Одна ветвь ОС образована конденсатором C1 и R1, а другая C2 и R2. Для такой схемы в определенном диапазоне частот выполняется условие самовозбуждения, т. к. в цепи обратной связи имеются конденсаторы, в токам случае мультивибратор не имеет устойчивого состояния и вырабатывается сигналы близкие к прямоугольным. Как и в триггере оба транзистора могут находится в активном режиме очень короткое время, т. к. в результате действия ПОС схема скачком переходит в состояние при котором один транзистор открыт, а другой закрыт. В момент времени t0 транзистор vt1 открыт и насыщен. Конденсатор C1 за счет тока, протекающего в схеме до t0 заряжен до определенного напряжения. Полярность этого напряжения такова, что в базе vt2 относительно эмиттера приложена в отрицательном смещении и vt2 закрыт. В таком состоянии протекают два процесса: один связан с протеканием по цепи от источника питания; второй обусловлен зарядом C2 через Rк2 и базовую цепь vt1, в результате напряжение на коллекторе vt2 увеличивается.
|
|
|
Поскольку резистор включен в базовую цепь транзистора имеет большее сопротивление чем коллекторное время задержки С2 меньше времени перезарядки С1, процесс зарядки С2 носит экспонециаьлный характер поп времени. Следовательно время зарядки конденсатора С2, а также время нарастания коллекторного напряжения Uкэ2, т. е. длительность фронта импульса.
В связи с перезарядкой С1 напряжение на базе второго транзистора нарастает, но пока оно ниже напряжения отпирания транзистор закрыт, а vt1 открыт, т. к. его база оказывается подключенной к положительному полюсу источника питания. Фазовое напряжение на первом транзисторе не изменится. Это состояние схемы называется квазиустойчивым.
В момент времени t1 по мере перезарядки конденсатора С1 напряжение на базе vt2 достигает напряжение открывания транзистора vt2 и он переходит в активный режим работы и уже k2> 1. При открывании транзистора vt2 увеличивается коллекторный ток Ik2 и уменьшается Uкэ2, вызывая снижение базового тока vt1, что в свою очередь приводит к уменьшению тока Iк1. Снижение этого тока сопровождается увеличением базового тока vt2, поскольку ток, протекающий через Rк1 ответвляется в базу транзистора vt2, и изменение тока базы два равно изменению тока ik2.
После того как транзистор VT1 выйдет из режима насыщения в схеме выполняется условие самовозбуждения, т. е. коэффициент усиления k1> 1. При этом процесс переключения схемы протекает лавинообразно и заканчивается когда транзистор VT2 переходит в режим насыщения, а VT1 в режим отсечки. В дальнейшем практически разряженный С1 начинает заряжаться от источника питания по цепи Rk1 базовая цепь открытого транзистора вт2 по экспоненциальному закону с постоянной времени τ = Rk1C1 Uc1 = Uбэ. нас- Uкэ. нас.
|
|
|
В результате времени тф2=(3-5)С1Rk1 происходит увеличение напряжения на С1 до Uc1=Eп-Uбэ. нас и формируется фронт коллекторного напряжения Uk1 на транзисторе вт1. Закрытое состояние вт1 обеспечивается тем, что первоначально заряженный до напряжения Eп С2 через открытый тр-тр вт2 подключен к промежутку БЭ вт1, чем поддерживается отрицательное напряжение на его базе. В схеме снова выполняется условие самовозбуждения и развивается регенеративный процесс в результате которого тр-тр вт1 переходит в режим насыщения, а вт2 закрывается.
В т2 напряжение на базе вт1 достигает значения Uотпирания≈ Uбэ. нас.
С1 оказывается заряженным до напряжения Uc1, а С2 практически разряжен.
В мультивибраторах прямоугольные импульсы можно снимать с коллекторов обоих транзисторов. В случае когда нагрузка подключена длительность импульса определяется процессом перезарядки С1, а длительность паузы- процессом перезарядки С2.
Рис. 30 Эквивалентная схема перезарядки С1
Процесс перезарядки С1 заканчивается в момент т1 когда Uбэ2 примерно равно Uбэ. нас, поэтому длительность импульса
Процесс перезарядки с2, который определяет время паузы между импульсами коллекторного напряжения VT2 протекает по такой же эквивалентной схеме
При расчете МВ необходимо выполнять условия насыщения открытого транзистора.
Основное препятствие для увеличения частоты является большая длительность фронта заряда, что можно совершить при уменьшении Rк. Уменьшение Rк может привести к невыполнению условий насыщения. При большой степени насыщения в рассмотренной схеме мв возможны случаи, когда после включения оба транзистора насыщены и колебания отсутствуют (жесткий режим самовозбуждения).
|
|
|
Выходы:
1) Выбрать транзистор, который работает вблизи границы насыщения
2) Можно использовать специальную схему МВ
3) Длительность фронта можно уменьшить, если дополнительно в схему ввести диод (рис. 31)
Рис. 31
Когда закрывается вт2 и начинает увеличиваться коллекторное напряжение, ток к вд2 прикладывается обратно напряжению транзистор закрывается и тем самым отключает заряжающийся С2 от коллектора вт2. В результате ток зарядки С2 протекает уже не через Rk, а через R3. Следовательно длительность фронта импульса коллекторного напряжения Uk2 теперь определяется только процессом закрывания транзистора вт2. Время зарядки С практически не изменяется.
|
|
|
