Импульсные генераторы и компараторы.

9.1 Мультивибраторы и одновибраторы.

9.1.1 Мультивибраторы на дискретных элементах.

Мультивибраторы являются генераторами прямоугольных импульсов с высокой крутизной фронта и среза. Они относятся к релаксационным генераторам, суть которых состоит в медленном накоплении энергии на реактивных элементах (например, конденсаторах) и быстрым ее выделением в следующей фазе. Мультивибраторы применяются в импульсной и вычислительной технике и могут быть выпущены в интегральном исполнении.

Мультивибратор можно представить как два усилителя, вход каждого из которых присоединен к выходу другого. Если оба усилителя одинаковые, мультивибратор называется симметричным. Симметричный мультивибратор выдает две импульсные последовательности, сдвинутые по фазе на 90⁰. Изменением элементов мультивибратора (емкостей и сопротивлений) можно выполнить несимметричный мультивибратор, скважности импульсов в каждой из последовательностей которого неодинаковы.

На рисунке а показана схема простейшего мультивибратора, а на рисунке б упрощенная диаграмма напряжений в выделенных точках схемы.

Пусть в некоторый момент транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт. Для этого необходимо, чтобы на базе транзистора VT1(в точке Б1) напряжение было равно нулю или отрицательно, а в точке Б2 напряжение должно быть положительно. В точке К1 напряжение равно напряжению источника питания, а в точке К2—нулю. Конденсатор С1 заряжен до напряжения источника питания, т.е. на первой обкладке напряжение равно напряжению источника питания, а на второй –ноль. Конденсатор С₂ разряжен, на обеих обкладках напряжение равно напряжению источника питания.

Пусть пока по неизвестной причине транзистор VT1 стал открываться. Как только начался этот процесс, напряжение в точке К1 стало приближаться к нулю (см. диаграмму), так как открывание транзистора ведет к уменьшению его сопротивления.. Так как конденсатор С1 не может разрядиться мгновенно, напряжение на его второй обкладке останется ниже напряжения на первой обкладке на величину заряда конденсатора. На первой обкладке напряжение близко к нулю, на второй станет отрицательным. Напряжение в точке Б2 тоже станет отрицательным. Транзистор VT2 закроется. В точке К2 напряжение вырастет до напряжения близкого к напряжению источника питания. На базу транзистора VT1 (точка Б1) будет подано положительное напряжение, транзистор еще более откроется. Так будет продолжаться до тех пор, пока транзистор не перейдет в область насыщения. Чем больше открывается транзистор, тем меньше падение напряжения на нем. Это приведет к понижению напряжения на обеих обкладках конденсатора С1, т.е. к большей степени запирания транзистора VT2 (до режима отсечки). Процесс переключения происходит очень быстро, что показано на диаграмме вертикальными линиями. Переход к режиму отсечки не происходит мгновенно, что на диаграмме выражается изгибом фронта напряжения в верхней части U_К2 транзистора VT2 (точка К2). Итак: как только транзистор VT1 стал открываться, транзистор VT2 закрывается. Это приведет к устойчивому состоянию, когда VT1открыт и насыщен, VT2 закрыт. На диаграмме состояние транзистора показано напряжением его коллектора, т.е. точек К1 и К2: транзистор открыт—напряжение ноль, закрыт—напряжение источника питания. Такое состояние могло бы продолжаться бесконечно, если бы конденсаторы сохранили свой заряд. Так как конденсаторы перезаряжаются, состояние называется квазиустойчивым.

Точки Б1 и Б2 соединены с плюсом источника питания сопротивлениями R_б1 и R_.б2. В точке Б2 напряжение отрицательное. Значит, по сопротивлению R_.б2 будет протекать ток (см. участок 1 диаграммы), который будет поднимать напряжение второй обкладки конденсатора С1 т.е. напряжение точки Б2 (более строго этот процесс можно назвать разрядом конденсатора С1 по цепи: первая обкладка—открытый транзистор VT1—источник питания -- R_.б2—вторая обкладка). В то же время конденсатор С2 заряжается по пути: плюс источника питания—R_К2—конденсатор С2—базовый переход транзистора VT1—минус источника питания. Как только напряжение U_Б2 дойдет до нуля, транзистор VT2 откроется (см. участок 2 диаграммы), в точку Б1 будет подано отрицательное напряжение, транзистор VT1 закроется. Происходит процесс , подобный описанному выше. Мультивибратор переходит во второе квазиустойчивое состояние, когда VT2 открыт и насыщен, VT1 закрыт.

Мультивибратор постоянно переходит из одного квазиустойчивого состояния в другое. Период колебаний и скважность генерируемых импульсов зависит от длительности заряда-разряда конденсаторов, что в свою очередь зависит от номиналов сопротивлений и конденсаторов. входящих в мультивибратор.

Усилители, на которых собран мультивибратор, и процессы, происходящие с них, не могут быть абсолютно одинаковыми. Поэтому при включении питания мультивибратор входит в одно из квазиустойчивых состояний с дальнейшей генерацией импульсов.

Указанная схема обладает некоторыми недостатками (недостаточно прямоугольная форма импульсов, недостаточная крутизна фронтов и срезов и др.). Для устранения этих недостатков применяют достаточно простые и эффективные меры. Встречающиеся на практике схемы включают необходимые для этого элементы.

9.1.2 Мультивибраторы на ИМС.

Мультивибраторы выпускают непосредственно в виде микросхем. Но они находят ограниченное применение в связи с тем, что времязадающие элементы (емкости) должны быть достаточно велики. Их приходится подключать внешними связями.

Каждый усилитель, входящий в мультивибратор, можно рассматривать как логический элемент НЕ. Это дает возможность создавать мультивибраторы на логических элементах. Но и их приходится связывать внешними подключениями. Ниже показан мультивибратор, на элементах НЕ (а) и упрощенная диаграмма его работы (б).

Выход каждого из инверторов подается на вход другого через дифференцирующую цепочку, в которую входит конденсатор и сопротивление (одна цепочка R1C1, вторая-- R2C2).

Пусть на выходе первого инвертора скачком изменяется напряжение из нуля в единицу (см диаграмму). Этот скачок передастся на сопротивление R1 в виде тока заряда конденсатора, который создаст на сопротивлении R1 падение напряжения U_R1. Это напряжение, которое будет воспринято как логическая единица, будет подано на вход второго инвертора, на выходе которого напряжение будет равно нулю. По мере заряда конденсатора С1 ток уменьшается. Уменьшается и U_R1. Когда это напряжение упадет до порогового значения, соответствующего нулю, на выходе второго инвертора установится единица, которая через вторую дифференцирующую цепочку будет подана на вход первого инвертора. На выходе его установится ноль. Этот процесс будет сопровождаться разрядом конденсатора С1, что создаст отрицательный всплеск напряжения на R1. Чтобы избавиться от него, установлен диод VD1, через который конденсатор разряжается с малым падением напряжения на нем. Процесс переключений будет продолжаться как угодно долго.

Мультивибратор можно создать и на операционном усилителе. Для этого на инвертирующий вход, к которому присоединен времязадающий конденсатор, необходимо через сопротивление подать напряжение выхода.

9.1.3 Одновибраторы на дискретных элементах

Одновибраторы обладают одним устойчивым состоянием, которое в результате внешнего

воздействия может перейти во второе—квазиустойчивое состояние. Это второе состояние может продолжаться достаточно долго (время соизмеримо с секундой). Затем происходит самостоятельный возврат в устойчивое состояние. Одновибраторы можно создать на основе мультивибратора. В мультивибраторах каждое из квазиустойчивых состояний возникает за счет заряда-разряда конденсатора, связывающего коллектор одного транзистора с базой другого. Замена одного из конденсаторов сопротивлением (на схеме R2) должно создать устойчивое состояние. Однако для работы схемы необходимо подать отрицательное смещение на базу транзистора VT1, так как в противном случае оба транзистора могут быть открыты. Это смещение можно создать дополнительным источником питания Е_б. Работа такого мультивибратора происходит в следующем порядке. На базу транзистора VT2 подано через сопротивление R_б2 положительное напряжение. Поэтому он открыт. На выходе мультивибратора напряжение равно нулю. При подаче на вход отрицательного импульса через конденсатор С_р и диод VD транзистор VT2 закроется и на выходе возникнет положительное напряжение (сопротивление R_р является нагрузкой входного импульса). На базу транзистора VT1 будет подано положительное напряжение и он откроется. Это вызовет заряд конденсатора С, что вызовет увеличение напряжения на базе транзистора VT2.Через некоторое время, зависящее от емкости конденсатора, напряжение базы транзистора VT2 приблизится к нулю. Транзистор откроется и перейдет в насыщенное состояние. Имеется большое количество схем ждущего мультивибратора, изменения которых по сравнению с рассмотренным заключаются в в выполнении различных целей—быстродействие, крутизна фронтов, отсутствие выбросов и т.д..

Таким образом, мультивибратор находится в устойчивом состоянии, когда на выходе напряжение равно нулю. Подача на вход отрицательного импульса переводит его в положительное состояние, которое длится время, зависящее от емкости конденсатора. Затем мультивибратор возвращается в старое состояние. Второе название одновибратора—ждущий мультивибратор.

Наличие источника смещения –одно из качеств, из-за которого указанная схема почти не применяется. Применяется схема, в которой смещение создается традиционным способом—сопротивлением в цепи эмиттера.

При открытом транзисторе VT2 его эмиттерный ток протекает по сопротивлению Rэ, создавая на нем падение напряжения. В результате база транзистора VT1 находится под отрицательным смещением относительно эмиттера. Когда транзисторы переключаются, смещение создается за счет тока транзистора VT1.

В обеих схемах диод VD служит для устранения влияния на мультивибратор положительных импульсов. Он называется отсекающим диодом. Длительность формируемого импульса зависит от времени зарядки конденсатора С, которое зависит от произведения R_б2C. Сопротивления R₁, R₂, R_э подбираются так, чтобы в исходном состоянии транзистор VT1 был закрыт, т.е. на его базе напряжение было отрицательным.

9.1.4 Одновибраторы на ИМС.

В ряду элементов многих серий имеется микросхема, представляющая собой ждущий мультивибратор, характеристики импульса которого зависит от внешних элементов. На практике выполнение мультивибратора на логических элементах бывает более оправданным, чем применение специальной микросхемы. На рис. показан один из вариантов такого мультивибратора. Удоб ство такого построения заключается в том, что в одном корпусе содержится несколько логических элементов, часть из которых можно дополнительно использовать для других целей.

Мультивибратор выполнен на элементах 2И-Не. На входе U_вх логическая единица. На вход логического элемента D1.2 через сопротивление R подан "0". U_вых=1.

При подаче на вход короткого нулевого импульса (см. диаграмму) на выходе U₁ возникнет "1", которая через конденсатор будет подана на вход D1.2. U_вых станет равным "0" и будет поддерживать единичное состояние логического элемента D1.1. При переключении D1.1 в единичное состояние через конденсатор пойдет максимальный ток, который создаст на сопротивлении R падение напряжения U₂, которое и переключит элемент D1.2. По мере заряда конденсатора ток , а следовательно, падение напряжения на сопротивлении R уменьшается. При некотором (пороговом) напряжении элемент D1.2 переключится в единичное состояние. На вход элемента D1.1 поступят две единицы, он переключится в нулевое состояние. Разряд конденсатора создаст отрицательный выброс, который на работу влияния не окажет. Схема вернулась в начальное состояние.

Построенные графики не учитывают задержек переключения элементов. Следует также учесть, что уровень логической единицы и уровень логического нуля имеют достаточно широкие пределы, которые нет смысла отражать на диаграмме.

9.2 Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

9.2.1 Принципы генерирования линейно изменяющихся напряжений.

Линейно изменяющиеся напряжения, т.е. напряжения изменяющиеся по линейному закону от времени, используют во многих устройствах электроники, применяющиеся в различных областях науки и техники. Обычно это импульсы одиночные или периодические, характеризующиеся следующими параметрами.

Т_пр- длительность прямого хода;

Т_обр –длительность обратного хода;

Т – период повторения;

U_m – размах;

U₀ – начальный уровень;

ε – нелинейность или коэффициент нелинейности характеризует отклонение реального напряжения от прямолинейного. Напряжение линейно, если скорость его изменения в любой точке одинакова. Коэффициент нелинейности ε = характеризует отступление от постоянной скорости ;

ζ – коэффициент использования напряжения источника питания U_п.

ζ = .

Для создания линейно возрастающего или пилообразного напряжения используется заряд- разряд конденсатора. Так как при этом напряжение на конденсаторе изменяется нелинейно, используют малую часть периода, которая может считаться линейной. Вследствие этого и коэффициент использования напряжения мал. Из этих рассуждений становится ясно, что коэффициент использования напряжения и коэффициент нелинейности взаимосвязаны.

Ток заряда конденсатора С от источника питания с напряжением U_п зависит от сопротивления R₁. Чем больше R₁, тем дольше заряжается конденсатор (участок ab). В определенный момент (точка b на диаграмме) замыкается ключ S и конденсатор разряжается через сопротивление R₂(участок bc). Чем меньше R₂, тем быстрее разряжается конденсатор. В качестве ключа могут быть использованы различные активные элементы—транзисторы, тиристоры. Разряд конденсатора может не доходить до нулевого напряжения, так как чем меньше напряжение на нём, тем медленнее он разряжается. Для создания пилообразного напряжения с быстрым спадом импульса берут R₁>>R₂. При этом ключ должен быть замкнут очень короткое время T_обр.

9.2.2 Схемы ГЛИН.

ГЛИН могут быть созданы на основе транзисторов, числовых и аналоговых микросхем. Простейшие ГЛИН могут быть разработаны в соответствии с изображенной выше структурной схемой. Работа генератора поясняется диаграммой.

При подаче на базу транзистора нулевого напряжения он закрыт. Конденсатор заряжается током I_C , протекающим от источника питания через сопротивление R_К.. Напряжение U_вых на конденсаторе растет, ток заряда по мере заряда конденсатора убывает. Когда на вход подается положительный импульс, транзистор открывается. Сопротивление его близко к нулю. Конденсатор быстро разряжается через транзистор. С окончанием положительного импульса транзистор запирается, начинается новый цикл заряда конденсатора. На диаграмме условно не учтена нелинейность процессов заряда-разряда конденсатора.

Вместо транзистора можно использовать микросхему, например, инвертор. Когда на входе инвертора "0", конденсатор С заряжается через сопротивление R₁. При подаче на вход короткого положительного импульса, на выходе инвертора "0", конденсатор разряжается через диод VD, который не пропускал ток при положительном напряжении на выходе инвертора.

В указанных схемах для создания удовлетворительной линейности необходимо использовать лишь начальную часть экспоненты, т.е. получится очень невысокий коэффициент использования напряжения. Логичным было бы пропорциональное усиление полученного напряжения. Это и делается с помощью ОУ. Однако при использовании ОУ применяют и ПОС, с помощью которых получают не только усиление, но и выравнивание экспоненциальной кривой.

В изображенном на рис. варианте напряжение конденсатора подается на неинвертирующий вход ОУ. В этом случае коэффициент усиления по напряжению

К_U = 1+

и U_вых = U_C(1+ ).

Через конденсатор С при закрытом транзисторе протекают два тока заряда: первый i₁-- от источника питания через сопротивление R_k , второй i₂ - от U_вых через сопротивление R₄.

i₁ = ; i₂ = = .

i₁ убывает по мере заряда конденсатора. i₂ по мере заряда конденсатора возрастает. Возрастание зависит от соотношения R₃ и R₂, которые можно подобрать так, чтобы зарядка происходила постоянным током и выходное напряжение обладало высокой линейностью.

Во многих случаях ГЛИН выполняются на основе интеграторов, так как при подаче постоянного напряжения на вход интегратора на выходе создается линейно возрастающее (или линейно падающее) напряжение. Интегратор необходимо дополнить устройством, возвращающим выходное напряжение к исходному при смене напряжения на входе.

9.3 Компараторы

9.3.1 Компараторы напряжений без гистерезиса и компараторы с гистерезисом (триггеры Шмитта).

Компараторы сравнивают два напряжения, одно из которых может быть опорным, т.е. таким относительно которого определяется расхождение. В качестве компараторов широко используются интегральные ОУ. Сравниваемые напряжения подаются на оба входа ОУ, на выходе которого вследствие очень большого коэффициента усиления создаются сигналы, приблизительно равные питающим напряжениям.

Компараторы напряжения без гистерезиса.

Эти компараторы были рассмотрены в разделе 8.3. К сказанному следует добавить обозначение компаратора в схемах. Если пользоваться двухполярными источниками питания, выходные напряжения будут соответствовать этим напряжениям. Можно использовать и однополярный источник питания (Е_П и 0). Тогда

выходное напряжение также будет однополярным.

Компараторы напряжения с гистерезисом (триггеры Шмиттта).

Триггеры Шмитта (ТШ) были рассмотрены в разделе 8.3.Здесь следует определить некоторые термины.

--Напряжение срабатывания (порог срабатывания) U_срб. Напряжение при котором происходит скачкообразное изменение напряжения на выходе при прямом изменении входного напряжения.

--Напряжение отпускания U_отп. Напряжение при котором происходит скачкообразное изменение выходного напряжения при обратном изменеии входного напряжения.

--Зона гистерезиса (гистерезис) U_срб - U_отп.

ТШ могут быть инвертирующими и неинвертирующими. Это зависит от подключения входов ОУ. Инвертирующий ТШ обозначается кружком на выходе.

ТШ имеет множество применений. Одним их них является применение ТШ для преобразования синусоидального напряжения в импульсное. Промышленостью выпускаются микросхемы ТШ с постоянным порогом срабатывания.