Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Блокинг-генераторы. Триггеры

1. Блокинг-генераторы

Блокинг-генератором называется однокаскадный усилитель, охваченный глубокой обратной связью с помощью трансформатора. Он может работать в автоколебательном, ждущем режиме и в режимах синхронизации и деления частоты. В автоколебательном режиме блокинг-генератор используется для получения мощных прямоугольных импульсов малой длительностью (от наносекунд до миллисекунд) и большой скважности (несколько тысяч). Однако стабильность частоты блокинг-генератора ниже, чем у мультивибратора.

В ждущем режиме блокинг-генератор применяется для усиления, преобразования и формирования коротких импульсов с крутыми фронтами. При этом устройство может играть роль как усилителя-формирователя, так и усилителя-ограничителя. В первом случае длительность выходного импульса определяется параметрами схемы. Во втором, длительность выходного импульса зависит от длительности входного импульса.

Блокинг-генератор обладает высокой экономичностью, так как потребляет энергию только в течение стадии формирования короткого выходного импульса. Усилительный элемент схемы пропускает ток в течение коротких промежутков времени, поэтому можно использовать сильно форсированный режим, В этом случае сравнительно маломощный транзистор обеспечивает токи значительной величины.

Трансформатор, применяемый в обратной связи, с одной стороны усложняет конструкцию генератора, с другой позволяет согласовать выход устройства с нагрузкой, получать несколько выходных напряжений требуемой полярности.

Рассмотрим работу схемы блокинг-генератора. Рассмотрение начнем с момента t = t_o. К моменту t_o конденсатор С заряжен за счет генерирования предыдущего импульса. Напряжение конденсатора приложено к базе транзистора и запирает его - выходное напряжение отсутствует. Во время паузы происходит перезарядка конденсатора по цепи Е_п, R, w_б, с постоянной времени ₁ =RC. В процессе перезарядки конденсатора С, напряжение на базе уменьшается и при достижении Uc =0 (момент времени t₁) транзистор начинает открываться, увеличивается ток коллектора. В результате этого возникают быстро нарастающие ток намагничивания и магнитный поток в сердечнике. Во вторичной обмотке (w_б) трансформатора наводится ЭДС, способствующая росту тока базы. Указанную катушку следует включить таким образом, чтобы минус ЭДС. обратной связи был приложен к базе транзистора. Происходит лавинообразный процесс перехода транзистора в режим насыщения.

Время разряда конденсатора определяет длительность паузы между импульсами, а так как Т = t_и + t_п и t_и << t_п, то определяет и период следования импульсов:

С момента t₁ начинается стадия формирования импульса. В это время в схеме происходит заряд конденсатора С по цепи w_б, С, r_вх (входное сопротивление транзистора). Суммарное напряжение на базе транзистора в это время отрицательно и почти экспоненциально падает до нуля. Так как транзистор на этой стадии насыщен, то его коллекторный ток остается неизменным, а, следовательно, и U_к остается малым и постоянным.

Длительность импульса в общем случае определяется суммарным временем, включающим время заряда конденсатора и время рассасывания носителей в базе. Как правило, время рассасывания носителей много меньше времени заряда конденсатора, и длительность импульса определяется постоянной ₂ = r_вхС. После выхода транзистора из насыщения (момент времени t₂) начинается второй лавинообразный процесс, в результате которого транзистор скачком переходит в состояние отсечки. В конце этого процесса из-за энергии, накопленной в трансформаторе, возможно образование сильного выброса напряжения. Это плохо по двум причинам. Во-первых, суммарное напряжение на коллекторе может оказаться больше допустимого, во-вторых, выброс искажает прямоугольную форму импульса. Для ослабления выброса в обмотку включают диод.

Так как r_вх<<R, то время нахождения транзистора в открытом состоянии, а, следовательно, и длительность импульса t_и<<T.

2. Триггеры

В большинстве импульсных устройствах приходится иметь дело, как правило, с двумя уровнями сигнала. Поэтому характерным для импульсной электроники является работа полупроводниковых приборов в ключевом режиме, рассмотренном нами на предыдущей лекции. Такой подход предоставляет возможность минимизировать рассеиваемую в них мощность и, следовательно, использовать при изготовлении методов гибридной и полупроводниковой технологий. Последнее обстоятельство является главной причиной широкого использования устройств импульсной электроники, позволяющих разрабатывать на своей основе надежные, экономичные, малогабаритные системы, предназначенные для решения различных практических задач.

Триггер является типичным устройством импульсной электроники. Он обладает двумя длительно устойчивыми состояниями равновесия и способно под воздействием внешнего управляющего сигнала скачком переключаться из одного состояния в другое.

Триггеры на дискретных элементах применяют тогда, когда предъявляются специфические требования к временным или амплитудным параметрам импульсов. Схемы триггеров получают объединением двух транзисторных ключевых каскадов. Входы одного ключа соединены с выходами другого. Схемы различаются типом усилителя и способом организации ПОС. По организации ПОС различают транзисторные триггеры с коллекторно-базовыми связями и с эмиттерной связью.

Из-за несимметричности транзисторов и неравности номиналов резисторов базовый ток, например, Т1 будет больше. Более быстрое открытие Т1 приведет к более быстрому падению напряжения на его коллекторе и, следовательно, на базе Т2, что в свою очередь приведет к его быстрому запиранию. Процесс носит лавинообразный характер, который закончится лишь с прекращением действия ПОС. Цепь ПОС размыкается, когда первый транзистор попадет в режим глубокой отсечки, а второй - в режим насыщения. Такое состояние триггера является устойчивым, и в нем схема будет находиться сколь угодно долго, при включенном питании. Вывести из этого состояния схему, можно подав отрицательный (запирающий) импульс на базы обоих транзисторов. Запертый транзистор Т2 не изменит своего состояния, а Т1 под действием импульса станет запираться, увеличивая напряжение U_k1. Это напряжение попадая на базу Т2, будет отпирать Т2. Наступит снова лавинообразный процесс, который закончится опрокидыванием схемы - Т1-закрыт, Т2-открыт. Новое состояние будет также устойчивым и сможет сохраняться сколь угодно долго. Реальная схема несколько сложнее и приведена на рис. 3б.

На рис. 3б приведена схема триггера с коллекторно-базовыми связями.

Триггер называется симметричным, если

R_к1= R_к2 , R_б1= R_б2, R_с1= R_с2, С1=С2. (1)

Схема имеет кроме основного источника питания еще один дополнительный Е_см. Для ускорения переходных процессов в базы транзисторов включены форсирующие RC цепочки.

Для обеспечения двух устойчивых состояний следует выполнить условие закрытия одного транзистора - |U_б|<U_пор и открытия другого - i_б>I_бнас.

Чтобы перевести триггер из одного устойчивого состояния в другое следует подать внешнее управляющее напряжение в базовые или коллекторные цепи транзисторов. Подача управляющих напряжений может осуществляться раздельно на каждый транзистор, в этом случае говорят о разделенном запуске. В противном случае говорят об общем или счетном запуске. Схемная реализация общего запуска по базовым цепям приведена на рис. 3б. Запуск триггера можно производить как открывающими, так и запирающими импульсами. Однако на практике чаще применяют вторые, т.к. в этом случае увеличивается быстродействие и уменьшается необходимая мощность для управляющего сигнала.

Поскольку в базы транзисторов включены укорачивающие RC цепи, на входе образуются импульсы разной полярности. Для устранения ложного срабатывания триггера цепь запуска содержит диод. Рассмотрим процессы переключения триггера с общим запуском. В схеме триггера рис. 3 используется общий запуск запирающими (отрицательными) импульсами, которые подаются в базовые цепи транзисторов через диоды VDI и VD2. На рис. 4 показаны упрощенные временные диаграммы, поясняющие его работу.

Для надежного переключения триггера выбирают амплитуду и длительность u_у из условия запирания ранее включенного транзистора схемы. Если это условие выполнено, то на интервале t_з =t₂-t₁ оба транзистора оказываются закрытыми, а напряжения на конденсаторах не успевают измениться. Дальнейшие процессы в схеме определяются напряжениями на конденсаторах С1 и С2, которые кроме форсирования переключения транзисторов выполняют функции элементов памяти о предыдущем состоянии триггера. Пусть до поступления запускающего импульса транзистор VT2 заперт и U_Cl Е_п, a VTI открыт и U_С2 0. Именно поэтому отпирающий ток i_б1 очень мал, а ток i_б2 велик (Е_п/R_к). Следовательно, VTI остается закрытым, а VT2 открывается. В схеме устанавливается новое устойчивое состояние. Скорость процесса определяется временем заряда конденсатора С2 от источника Е_n через резистор R_K1 и прямо смещенный эмиттерный переход транзистора VT2. Длительность этого процесса определяет фронт формируемого импульса и приблизительно равна:

_ф =3R_к1C₂

В то же время, ранее заряженный конденсатор С1 разряжается, определяя время восстановления триггера:

_вос = 3R_б2R_см2C₁ (R_б2 +R_см2)

блокинг триггер генератор трансформатор

Это время необходимо для подготовки схемы к очередному переключению. В реальных схемах обычно выполняется условие R_б >> R_к, R_см >>R_к Поэтому, _вос << _ф и период следования управляющих импульсов определяется условием Т>_вос.

После прихода очередного запускающего импульса процессы в схеме повторяются. Транзистор VT2 перейдет в режим отсечки, a VT1 - в режим насыщения. Т.о. при счетном запуске каждый входной импульс изменяет состояние триггера на противоположное, и количество выходных импульсов будет в два раза меньше входных (см. рис. 5). Следовательно, режим счетного запуска можно использовать для деления частоты входных импульсов.

Из временного анализа рис. 4 можно сделать вывод, что надежность переключения схемы во многом определяется длительностью импульса управления. С одной стороны, длительность t_з должна быть больше длительности выключения ранее насыщенного транзистора, иначе он не успеет запереться и переключение схемы не произойдет. С другой стороны, слишком большое t_з приведет к тому, что разность напряжений на конденсаторах С1 и С2 из-за их разряда через резисторы R_б1 и R_б2уменьшится, что может привести к потере памяти о предыдущем состоянии схемы. Поэтому емкости конденсаторов С1 и С2 необходимо увеличивать, но это приводит к снижению максимально допустимой частоты переключений триггера. Заметим, что эти требования к длительности t_з характерны только для общего запуска триггера. При раздельном запуске запирающими импульсами переключение триггера происходит сразу после выключения ранее насыщенного транзистора, а не после окончания t_з, что обеспечивает более высокую максимально допустимую частоту его переключения.

Триггер с эмиттерной связью

В рассмотренном симметричном триггере обе цепи ПОС были одинаковы и по состав и по способу включения. Если одну ПОС заменить эмиттерной связью через R_э, то получим несимметричный триггер с эмиттерной связью. Изображенный триггер, изветный под названием триггер Шмитта, имеет один вход и не обладает свойством памяти.

Состояние триггера определяется уровнем напряжения на входе. Он применяется как средство преобразования синусоидального сигнала в меандр с крутыми фронтами. При нулевом напряжении на входе транзистр VT1 заперт, поэтому VT2 находится в насыщении. Пренебрегая разностью потенциалов между коллектором и эмиттером VT2, можно считать, что напряжение питания распределено между коллеторным и эмиттерным сопротивлениями. Напряжение на R_к2 будет составлять 7,4В, а на R_э - 1,6В, соответственно потенциал эмиттера VT1 будет равняться так же 1,6В. Когда входное напряжение превысит примерно 2,2В VT1 начнет открываться, что вызовет уменьшение падения напряжения на его коллекторной нагрузке. Это падение вызовет уменьшение тока через VT2, и, соответственно, уменьшение напряжение на R_Э, что в свою очередь еще больше откроет VT1. Такая положительная обратная связь будет действовать до тех пор, пока VT2 не закроется, а VT1 не попадет в насыщение. Выходное напряжение при этом станет равным 9В.

Если u_вх уменьшается, то коллекторный ток VT1 постепенно падет. С закрытием VT1 увеличивается напряжение на R_к1. В конце концов начинает открываться VT2 - начинается обратный лавинообразный процесс, приводя к полному закрытию VT1 и открытию VT2. Выходное напряжение снова равно U_э = 1,6В. Триггер Шмитта закрывается при напряжении меньшем, чем включается - наблюдается явление гистерезиса. В рассмотренной схеме гистерезис мал и составляет 0.6В, но его можно изменить выбирая другие соотношения R_к1: R_к2 и R_: R_см.

Тригер Шмитта является идеальной схемой для стыковки медленно меняющихся сигнало с логическими схемами.

Размещено на Allbest.ru