Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛЕКЦІЯ-2

«активні формувачі прямокутних імпульсів на дискретних елементах»

1. Обмежувачі амплітуди імпульсів на діодах

Прямокутні імпульси можна сформувати за допомогою генератора синусоїдальних коливань та обмежувача. Розрізняють обмежувачі зверху, знизу та двосторонні.

Обмежувачі амплітуди імпульсів - це пристрої, напруга на виході яких (Uвих) пропорційна вхідній напрузі (Uвх) до тих пір , поки остання не досягне деякого рівня, який називається порогом обмеження, після чого вихідна напруга залишаються постійною, незважаючи на зміну вхідної.

Щоб пропорційність між Uвих і Uвх мала місце лише на деякій ділянці, перехідна характеристика обмежувача Uвих = f(Uвх) повинна бути нелінійною. Тому необхідним елементом обмежувача є нелінійний пристрій (діод, транзистор чи інтегральна мікросхема).

На рис.1. наведено амплітудну характеристику двостороннього діодного обмежувача. Напруга на виході обмежувача не переважає рівні обмеження Uобм1 та Uобм2. При вивченні діодного обмежувача виходять із того, що практично діод пропускає струм, коли потенціал його анода більший за потенціал катода. В залежності від способу з'єднання навантаження і діода розрізняють послідовні і паралельні діодні обмежувачі.

Схему послідовного діодного обмежувача наведено на рис.2.а. Тут вхідна напруга розподіляється між діодом Д і резистором навантаження Rн. Відношення їх опорів визначає яка частина вхідної напруги виділиться на виході обмежувача. Опір діода в прямому напрямі (RПР) набагато менший ніж опір резистора навантаження (RН), тому додатна півхвиля напруги Uвх(+) практично повністю виділяється на виході. Опір діода у зворотному напрямі (RЗВ) >> RН, тому від'ємна півхвиля Uвх(-) практично повністю виділяється на діоді і Uвих = 0. На рис.2.б. наведені криві напруг Uвх та Uвих, які ілюструють роботу послідовного діодного обмежувача.



Рис.1. Ілюстрація принципу двостороннього діодного обмежувача.

Рис.2. Схема послідовного діодного обмежувача.

Таким чином, ця схема забезпечує обмеження вихідної напруги знизу з нульовим порогом.

Для одержання фіксованого порога обмеження, відмінного від нуля, послідовно з навантаженням умикають джерело (або два джерела з протилежною полярністю напруги) постійної напруги (рис.3.).



Рис.3. Схема діодного обмежувача з фіксованою напругою обмеження.

До недоліків послідовних обмежувачів на діодах належить:

- обмежувачі потребують ідеальних джерел ЕРС вхідного сигналу, у яких Rвих наближається до нуля;

- схеми пасивні і мають коефіцієнт передачі К < 1;

величина вхідної ЕРС має бути досить великою (десятктки вольтів), тобто має виконуватися умова Евх >> Uд.пр..

Схема паралельного діодного обмежувача представлена на рис.4.а. Необхідним її елементом є обмежуючий опір RОБМ, який вибирають так, щоб виконувалася нерівність:

RПР << RОБМ << RН << RЗВОР,

де RПР і RОБМ - опори діода, p-n перехід якого зміщується в прямому чи зворотному напрямі. Вхідна напруга паралельного обмежувача розподіляється між резистором RОБМ і ланкою кола, яка утворена паралельно ввімкнутим діодом і навантаженням.



Рис.4. Схема паралельного діодного обмежувача.

При відкритому діоді опір цієї ланки кола, за рахунок малого опору RПР, малий і майже вся вхідна напруга виділяється на опорі RОБМ, а вихідна напруга рівна майже нулю. Закритий діод не шунтує навантаження RН тому вхідна напруга ділиться між резисторами RОБМ і RН. Оскільки RН >> RОБМ, то на навантаження припадає основна частина вхідної напруги і вихідна напруга буде пропорційна вхідній. У схемі, наведеній на рис.4.а., діод відкривається під час дії додатної півхвилі вхідної напруги. Тому на виході схеми виділяється лише від'ємна півхвиля Uвх, тобто відбувається обмеження зверху (рис.4.б.). Хоча RОБМ << RН, частина вхідної напруги все ж виділиться на резисторі RОБМ, оскільки навіть при закритому діоді вихідна напруга менша вхідної. Опір відкритого діода малий, але не рівний нулю тому частина додатної півхвилі вхідної напруги на виході обмежувача все таки виділиться.

При зміні напрямку вмикання діода, на виході схеми обмеження виділиться додатна півхвиля, тобто буде забезпечуватися обмеження знизу з нульовим порогом.



Рис.5. Схема паралельного діодного обмежувача з фіксованою напругою обмеження.

Умикання джерел постійної напруги і протилежної полярності в ланки двох протилежно ввімкнутих діодів дозволяє одержати два рівні обмеження, які відмінні від нуля.

Таким чином, паралельні обмежувачі на діодах не критичні до внутрішнього опору джерела вхідного сигналу, однак зберігають інші недоліки послідовних діодних обмежувачів.

Для ліквідації цих недоліків обмежувачів на діодах розроблено транзисторні підсилювачі обмежувачі, в яких значно нижчі вхідні сигнали (сотні мілівольт), відносно високий вхідний і низький вихідний опори та форма вихідної напруги краще наближається до прямокутної.

2. Біполярні тразистори: схеми умикання, характеристики і режими роботи

Транзистором називається електроперетворювальний напівпровідниковий прилад, який має один або декілька p-n переходів, три або більше виводів і здатний посилювати потужність електричного сигналу.

Транзистори з двома p-n переходами називаються - біполярними. Термін “біполярний” підкреслює, що процеси в цих транзисторах пов'язані з взаємодією носіїв заряду двох типів: електронів і дирок. У відповідності до чергування шарів з різними типами електропровідності БП- транзистори бувають двох типів: n -p - n i p- n - p (рис.6.).

Рис.6. Схематична побудова та позначення транзисторів p-n-p типу.

біполярний транзистор діод вмикання

Центральний шар БП - транзистора називають базою. Зовнішній лівий шар, який є джерелом носіїв заряду (в даному випадку дирок) і, головним чином, створює струм приладу, називають емітером. Правий зовнішній шар, що приймає заряди від емітера, називають колектором.

На перехід «Е-Б» напруга подається в прямому напрямку, тому навіть при незначній напрузі через перехід тече великий струм. На перехід «Б-К» напруга подається в зворотньому напрямі і її величина зазвичай на декілька порядків більша зв напругу на переході «Е-Б». Підсилювальні властивості БП - транзистора забезпечуються тим, що p-n переходи в ньому не незалежні, а взаємодіють один з одним, що, в свою чергу, забезпечується технологічними особливостями виконання тришарової структури., а саме:

- емітер виконано з великою кількість домішки тому він має значну кількість вільних носіїв заряду;

- база виконана тонкою і має малу кількість основних носів заряду;

- колектор - роблять масивним і він має кількість носіїв, меншу ніж у емітера. Розглянемо роботу n - p - n транзистора. Нехай спочатку увімкнено лише перехід “К-Б” (Рис.7).



Рис.7. Схеми умикання БП- транзистора (спрощена та звичайна).

Емітерний струм ІЕ рівний нулю, у транзисторі протікає лише зворотній струм через колекторний перехід, бо через нього рухаються лише не основні носії заряду, які зумовлюють незначний початковий струм ІКО. Коли ж підмімкнути емітерне джерело живлення (рис.7), то емітерний перехід зміщується у прямому напрямку, через який проходить струм ІЕ визначеної величини.

Оскільки зовнішню напругу прикладено до емітерного переходу у прямому напрямку, то електрони долають перехід і потрапляють в зону бази, де частково рекомбінують з її дірками, утворюючи струм бази ІБ. Більшість електронів, що є неосновними носями для бази, завдяки дрейфу досягають зони колектора, де вони є основними носями, і, потрапляючи під дію поля ЕК=, утворюють колекторний струм ІК. Струм ІК практично дорівнює ІЕ (ІЕ = ІБ + ІК).

Зв'язок між струмом емітера і струмом колектора характеризують коефіцієнтом передачі струму, що вказує, яка частка повного струму через емітерний перехід досягає колектора (тобто передається до нього з емітера)

б = ІК/IE (1)

Для сучасних транзисторів б = 0,900-0,995.

Транзистор використовують так, що один з електродів є вхідним, другий - вихідним, а третій спільним відносно входу та виходу. У коло вхідного електроду вмикають джереловхідного змінного струму, який необхідно підсилити, а у коло вихіцдного - навантаження, на якому виділяється посилена потужність. Залежно від того який електрод буде спільним для вхідного івихідного кіл розрізняють схеми вмикання транзисторів зі спільною базою, емітером та спільним колектором. Основні схеми умикання розглядаються для сигналу напруги змінного струму. У схемі з спільним емітером передатність струму задається співвідношеннями:

В = ІК/ІБ = б/1-б (статична) та вдин. = dIK/dIБ (при UКБ = const) (динамічна). (2)

Для електронних схем на БП - транзисторах існує чотири сім'ї статичних вольт-амперних характеристик: сім'я вхідних характеристик івх = f(Uвх) (при Uвих = const), сім'я вихідних характеристик івих = f(Uвих) (при івх = const), сім'я характеристик керування (або прямої передачі) івих = f(івх) (при Uвих = const) і сім'я перехідних характеристик (або х-к зворотнього зв'язку) Uвх = f(Uвих) (при івх = const.).

Для кожної схеми вмикання з чотирьох сімей статичних ВАХ незалежні лише дві (найбільш уживаними є перші дві сім'ї). Для схеми з СЕ статичні характеристики БП - транзистора є залежностями (рис.8):

* - вхідні ІБ = f(UБЕ) при UКЕ = const,

* - вихідні ІК = f(UKE) при IБ = const.

Рис.8. ВАХ транзистора, увімкненого за схемою з СЕ: а). вхідні, б). вихідні.

Вихідні ВАХ для схеми з СЕ досить точно можна описати наступним виразом:

IK = б(1-б)-1 IБ + ІКО(1-б)-1 + UK (1-б)-1 rK , (3)

Якщо рівень вхідного сигналу малий і БП- тразистор працює на лінійній діляці ВАХ, то його можливо представити як активний лінйний чотирьохполюсник (рис.9.)

Рис.9. Активний лінійний чотирьохполюсник.

Найчастіше використовують систему рівнянь, у якій незалежними змінними є вхідний струм І1 та вихідна напруга U2:

U1 = f(i1, U2), i2 = f(i1, U2). (4)

З системи рівнянь (4) можна знайти повні диференціали для U1 та i2:

dU1 = (?U1/?i1) di1 + (?U1/?U2) dU2; di2 = (?i2/?i1) di1 + (?i2/?U2) dU2. (5)

Тепер, якщо замінити диференціали функцій малими приростами амплітудних значень струмів та напруг і ввести нові позначення для частинних похідних, то система рівнянь (5) прийме вигляд:

?U1 = h11 ?I1 + h12 ?U2; ?I2 = h21 ?I1 + h22 ?U2 (6)

Значення коефіцієнтів h знаходять при створенні режимів хлостого ходу (ХХ) на вході чотирьох полюсника і короткого замикання (КЗ) на його виході за змінною складовою струму. Із режиму ХХ на вході транзистора, коли І1 = 0 та ?І1 = 0 можливо визначити:

h12 = ?U1/?U2 (при І1 = 0) - к-нт зворотнього зв'язку за напругою;

h22 = ?I2/?U2 (при І1 = 0) - вихідна провідність транзистора.

Із режиму КЗ на виході транзистора, коли U2 = 0, можна визначити:

h11 = ?U1/?I1 - вхідний опір транзистора,

h21 = ?I2/?I1 - коефіцієнт передачі за струмом.

Залежно від схеми умикання транзистора h -параметри мають різні значення. Тому вони позначаються відповідною літероюв індексі (наприклад для схем з СЕ - h11E). Перевагою системи h - параметрів є порівняна простота безпосереднього вимірювання значень коефіцієнтів h. Так, режим ХХ на вході транзистора (за змінним струмом) здійснюється вмиканням у вхідне коло транзистора дроселя з великою індуктивністю (юL прямує до нескінченості), а режим КЗ - шляхом умикання паралельно вихідному колу транзистора конденсатора великої ємності (1/юC прямує до нуля). Схема заміщення транзистора з h - параметрами зображена на рис.10.

Рис.10. Схема заміщення транзистора з h - параметрами.

При розрахунках також використовується фізична Т - подібна модель тразистора (рис.11.).

Рис.11. Т - подібна схема заміщення транзистора.для схем з СЕ

Тут прийнято наступні позначення: rБ - об'ємний опір бази транзистора, rE -прямий опір емітерного переходу, rK(E) -зворотний опір колекторного переходу, в -коефіцієнт передачі за струмом.

Існує зв'язок між фізичними та h- параметрами тразистора. Так для схем з СЕ маємо:

h12E = rE rK(E)-1 (в +1); h22E = rK(E)-1 (в +1); h11E = rБ + rE(в + 1); h21E = в (7)

Розглянемо основні режими роботи БП-транзистора p-n-p типу. Незалежно від схеми умикання БП-транзистора він може працювати у трьох основних режимах, які визначаються полярністю напруги на емітерному UE та колекторному переходах:

- режим відтинання (UE < 0, UK < 0);

-активний режим (UE > 0, UK <0);

-режим насичення (UE > 0, UK >0).

У режимі насиченн, який настає при великому відпірному вхідному сигналі, колекторний та емітерний переходи зміщені в прямому напрямку, транзистор повністю увімкнений і його струм Ітр. = Uзов/RН, тобто залежить лише від опору навантаження (RН ) та завнішньої напруги (Uзов). При цьому, вихідний опір транзистора знижується до дуже малої величини.

У режимі відтинання, що настає з поданням до вхідного кола транзистора сигналу, який забезпечує повне запирання, обидва його переходи зміщені у зворотньому напрямі (транзистор закритий). При цьому, у вихідному колі протікає струм, є зворотним струмом емітерного та колекторного переходв, а опір транзистора - високий.

Активний режим є проміжним. У нього емітерний перехід зміщений у прямому напрямку, а колекторний - ззворотньому. Транзистор в цьому режимі працює як підсилювач змінного сигналу: пропорційним змінам вхідного сигналу тут відповідають пропорційні зміни вихідного сигналу.

Режим роботи, у якому транзистор тривалий час знаходитья у режимі відтинання або насичення, називається ключовим режимом.

Розглянемо наведені вище режими роботи транзистора на прикладі його умикання за схемою з СЕ (рис.12).

Рис.12.Схеми вмикання транзистора з СЕ.

Тут: ІБ = (UБ - UБЕ)/RБ, (8); ІК = в ІБ , (9); Uвих = UКЕ - ІК RK , (10).

де RБ і RК - базове та колекторне навантаження, UКЕ - напруга між колектором та емітером, ЕК - напруга джерела живлення. Рівняння (10) характеризує зв'язок вихідної напруги з вхідним струмом і називається динамічною вихідною характеристикою тразистора або лінією навантаження.

Розглянемо вихідну динамічну характеристику транзистора (рис.13.).



Рис.13. Вихідна динамічна характеристика транзистора.

Для режиму ХХ якщо ІК = 0, то UKE = EK. Для режиму КЗ якщо UKE = 0, то ІК = ЕК/RK. Точки перетину лінії навантаження з будь якою ВАХ називаються робочими точками. Коли робоча точка лежить вмежах відрізку “аб”, то транзистор працює в активному режимі. Якщо ж робочу точку намагатися задати нижче точки б., то транзистор переходить в режим відтинання, якому відповідає власне точка б. (транзистор відтинає протікання струму у силовому полі).

Якщо робочу точку задавати вище точки “а”, то тразистор знаходиться в режимі насичення, якому і відповідає точка “а”. Взагалі режимом насичення називається такий режим, коли подальшому збільшенню вхідної дії не відповідає збільшення вихідної реакції, яка досягла деякого сталого значення.

У режимі насичення через транзистор протікає струм ІКН = ЕК/RK. Щоб транзистор увійшов в насичення необхідно забезпечити струм бази не менший за ІБН = ІКН/в). Ступінь насичення характеризується кофіцієнтом насичення (S = ІБ/ІБН S>1, ІБ > ІБН ). У активному режимі S < 1. До основних параметрів БП-транзисторів належить:

- максимально допустимий струм колектора ІКМАХ = (0,01-100) А;

- максимально допустима робоча напруга UKEМАХ, яка визначається напругою лавинного пробою колекторного переходу і становить (20-100) В;

коефіцієнт передачі струму в = 20-50;

максимально длопустима потужність на колекторі (за її перевищення кристал транзистора розплавиться).

В імпульсних схемах транзисторні ключі (рис.14) перебувають у двох режимах - відтинання та насичення. Коли транзисторний ключ знаходиться в режимі насичення, то в його спрощеній моделі колектор і емітер замкнені. При цьому ІБ = ІБНАС S. Коли ж ключ у режимі відтинання, то в його моделі колектор і емітер розмімкнені. Перевагою транзисторних ключів є те, що керування великими струмами ІК здійснюється за допомогою малих струмів бази.

Рис.14 Транзисторний ключ.

3. Транзисторний підсилювач-обмежувач

Підсилювач-обмежувач (рис.15.) - це тразисторний ключ, який з активного режиму перемикається на режим відтинання і насичення, обмежуючи сигнал знизу та зверху (двосторонній обмежувач), режим роботи якого за постійним струмом знаходиться у точці С (рис.16).



Рис.15. Транзисторний підсилювач - обмежувач.

Для обмеження зверху вибирають робочу точку у режимі насичення (точка А, рис.16), а знизу - у режимі відтинання (точка В, рис.16.).

Переваги транзисторного підсилювача-обмежувача:

- коефіцієнт передачі за напругою KU >> 1, що потребує відносно малих вхідних сигналів (сотні мілівольт);

- низький вихідний опір, що забезпечує узгодження обмежувача з навантаженням;

- високий прямокутний коефіцієнт вихідного сигналу;

- відносно великий вхідний опір.

Якщо на вхід транзисторного ключа подати ідеальні прямокутні імпульси, то вихідні імпульси будуть спотворені. Ці спотворення викликані інерційністю транзистора. Розглянемо спотворення імпульсів транзисторним ключем, схема якого наведена на рис.14.



Рис.16. Обмеження амплітуди: а - двостороннє, б - зверху, в - знизу.

Осцилограми, що ілюструють роботу транзисторного ключа подано на рис.17., де на рис17.а, представлена вхідна послідовність імпульсів. В часовому проміжку 0-t1 спостерігається позитивна напруга імпульсу (+Е), величина якої перевищує 0,3-0,5 В, що забезпечує режим відтинання (запирання) транзистора. При цьому, струм ІБ = - ІКО (рис.17.б.), струм колектора ІК = ІКО (рис.17.в.) і напруга колектор-емітер UКЕ = - ЕК (рис.17.г.).

В момент часу t1 Uвх перемикається на -Е. Негативна напруга відкриває транзистор і через перехід емітер-база протікає струм IБ = Е/RБ , який має перевести транзистор у режим насичення ІБ > ІБнас. Унаслідок малої ємності СБЕ та її шунтування відкритого переходу емітер -база з малим опором, струм бази змінюється за законом вхідної ЕРС Е (див. рис.17.б). За рахунок сталої часу транзистора для схеми з спільним емітером, струм колектора зростатиме за експоненцальним законом від початкового значення Іуст1 = ІБ h21E.

Слід відзначити, що так би відбулося , якби транзистор увесь час працював в активній зоні, але через деякий час він переходить у режим насичення, і струм колектора, досягнувши значення ІКнас. (рис.17.в.), більше не зростатиме. Напруга на виході ключа UKE, починаючи з t = t1, буде мінятися від -ЕК + ІКО RK (яка наближено рівна -ЕК) до UKeнас, повторюючи закон зміни струму ІК, тому що UKE = -EK + IK RK. При цьому, тривалість вимикання транзистора - це час за який він переходить з режиму відтинання у режим насичення, однаково як для струму ІК, , так і для струму UKE (рис.17. г.).

Тривалість вмикання транзистора:

tВМ = фв lnS/S-1 наближено рівне фв/S (при великих S), (11)

де фв - стала часу вмикання транзистора з спільним емітером.

Рис.17. Осцилограми роботи транзисторного ключа.

Після tВМ змінюється стала часу транзистора і стає рівною ф насичення, але при цьому, фнас не рівне фв.

Після деякого часу t2 E> 0 і транзистор знову закривається, однак відбувається затнримка транзистора в режимі насичення на час, зумовлений тривалістю розсмоктування дірок в базі. Струм бази досягає І'Б = -Е/RБ (рис.17.б.) і зменшується до ІКО за час розсмоктування. На такий самий час затримується струм колектора ІК та напруга на колекторі UKE (рис.17.в.г.).

tроз = фнас ln(ІБ + І'Б)/(ІБнас + І'Б). (12)

Зі збільшенням S, зменшується tВМ, однак зростає tроз. Тому рекомендовано вибирати S = 1,0…2,0.

Тривалість вимикання tвим, за яку струм колектора спадає від ІКнас до ІКО , рівня

tвим(ІК) = фв ln(ІБнас + І'Б)/І'Б, (13)

Сумарна тривалість вимикання за струмом колектора

tвим(УІК) = tроз + tвим(ІК) ……………………………………………(14)

На тривалість вимикання напруги tвим(УUК) значно впливає ємність Сн(У)

Сн(У) = СН + Свих + СМ (15)

де Свих - вихідна ємність транзистора, СМ - ємність монтажу, СН - ємність навантаження. Сн(У) звичайно знаходиться в межах 10-100 пФ. Стала часу заряджання конденсатора Сн(У) дорівнює фзар = RK Сн(У), отже затримка заднього фронту UKE визначає тривалість вимикання tвим = (3….5) фзар.

Оскільки фзар >> фвм, то і тривалість вимикання за напругою UKE tвим(UKE) >> tВМ, крім того tвим(UKE) >> tвм(ІК).

ВИСНОВКИ

У схемах транзисторних ключів вихідні імпульси струму і напруги затримані щодо вхідних імпульсів;

Тривалість затримки переднього фронту tВМ пропорційна фв і обернено пропорційна S. Тривалість вмикання за струмом і напругою однакові.

Тривалість вимикання tвим = tроз + tвим(ІК); tроз пропорційне фнас і S, тому вибирають S < 2;

Тривалість вимикання tвим(ІК) < tвим(UKE), тому що tвим(UKE) визначається фзар =RK СН(У). Для його зменшення рекомендується зменшувати RK.

Размещено на Allbest.ru