37-54 (Шпоры в ворде)

37. Импульсные сигналы (ИС).

ИС могут быть различной формы: прямоугольные, пилообразные, экспоненциальные и т.п.

Применение ИС обусловлено большим КПД ИУ, более высокой точностью, меньшей зависимостью от температуры, большей помехоустойчивостью, а также простотой представления информации в импульсной форме. На применении ИС основана цифровая вычислительная техника. Реальная форма прямоугольного импульса в общем случае имеет вид:

Параметрами импульсов являются:

• амплитуда;

• длительность импульса;

• длительность фронта;

• длительность среза;

• спад вершины;

амплитуда импульса U_M определяет наибольшее значение напряжения ИС. Длительность импульса t_И – это продолжительность импульса во времени. Чаще всего ее измеряют на уровне половины амплитуды 0,5U_M. Иногда t_И определяется на уровне 0,1U_M. При малых продолжительностях фронта и среза длительность импульса определяют по его основанию. Длительности фронта и среза – t_Ф и t_С – характеризуют время нарастания и спада импульса. Как правило, t_Ф и t_С определяются промежутками времени, изменение напряжения импульса между уровнями 0,1U_M и 0,9U_M . спад вершины импульса и его относительная величина / U_M характеризуют уменьшение напряжения на плоской части импульса. Чем меньше t_Ф ,t_С и , тем ближе форма импульса к идеальному и тем выше КПД ИУ.

Параметрами последовательности импульсов являются:

• период их следования T;

• частота повторения f;

• длительность паузы t_П;

• скважность Q;

• коэффициент заполнения ;

Периодом повторения Т называется интервал времени между одинаковыми точками двух соседних импульсов, например, между началами.

Частотой повторения f называется количество импульсов в единицу времени. Она является величиной, обратной периоду повторения: .

t_П – интервал времени между окончанием предыдущего импульса и началом последнего: .

Q – скважность: .

Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения : .

38. Ключевой режим работы транзистора.

Основой схем импульсной и цифровой техники является транзисторный ключ, т.е. каскад на транзисторе, работающем в двух режимах: насыщенный (ключ открыт) и отсечки (ключ закрыт). Транзисторный ключ может быть построен по схемам с ОБ, ОЭ и ОК, однако, наибольшее распространение нашел ключ по схеме с ОЭ. Его схема с транзистором p-n-p-типа и выходные характеристики с линией нагрузки имеют вид:

Линия нагрузки аб описывается уравнением: . А точки ее пересечения с ВАХ транзистора определяют напряжение на элементах и ток в выходной цепи.

Рассмотрим режим отсечки транзистора.

Это есть режим запертого состояния, осуществляется подачей на его вход напряжения «+» полярности (U_BX > 0. На рисунке а без скобок). При этом эмиттерный переход транзистора запирается и его I_Э = 0, а через резисторы R_K и R_Б протекает обратный тепловой ток коллекторного перехода I_K0. этому режиму на ВАХ соответствует точка M_З (рис. б). Значение тока I_K0 является параметром режима отсечки. Чем он меньше, тем лучше. Величину запирающего напряжения U_BX⁺ выбирают из условия, чтобы при протекании I_K0 через R_Б выполнялось соотношение:

(1).

Рассмотрим режим насыщения транзистора (открытого состояния).

Он достигается подачей на вход транзистора напряжения противоположной полярности (U_BX < 0, на рис. а в скобках) и заданием определенной величины I_Б. Этому режиму на ВАХ соответствует точка М₀. при увеличении отпирающего I_Б ( от нулевого значения) рабочая точка из положения М_З будет перемещаться вверх по линии нагрузки, I_К расти, а напряжение U_КЭ – уменьшаться. До некоторой величины (I_{Б нас}) будет сохраняться пропорциональная связь между I_К и I_Б :

(2),

где - статический или усредненный коэффициент передачи тока транзистора в схеме с ОЭ (а не дифференциальный , характеризующий режим малого сигнала).

Полному открытию транзистора при i_Б = I_{Б нас} соответствует точка М₀ на ВАХ. При этом через него и через резистор R_К протекает ток:

(3),

где U_{КЭ нас} падение напряжения на открытом и насыщенном транзисторе. Это напряжение в зависимости от типа транзистора лежит в пределах от 50млВ до 1В, поэтому можно считать, что:

(4).

Отсюда I_Б, при котором транзистор полностью открыт и насыщен:

(5).

При дальнейшем увеличении I_Б остаточное напряжение U_{КЭ нас} остается практически неизменным, т.к. все коллекторные характеристики при I_Б > I_{Б нас} проходят через точку М₀. Режим работы открытого транзистора при i_Б > I_{Б нас} называется насыщенным, а отношение S = I_Б / I_{Б нас} – коэффициентом насыщения транзистора. В режиме насыщения транзистор устойчив к воздействию входных помех и изменение коэффициента , например, с температурой. Коэффициент насыщения в связи с этим выбирается в пределах от 1,5 до 3.

39. Импульсный режим ОУ. Компараторы.

При использовании ОУ в импульсном режиме на его входы подаются напряжения, превышающие их при работе в линейном режиме, поэтому выходное напряжение ОУ в импульсном режиме равно его максимально возможной величине U_ВЫХ⁺ или U_ВЫХ^-.

Работу ОУ в импульсном режиме рассмотрим на примере компаратора, осуществляющего сравнение измеряемого U_ВХ с опорным U_ОП.

Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине и полярности напряжение, а входное изменяется во времени. При достижении U_ВХ уровня U_ОП происходит изменение полярности выходного напряжения ОУ. При U_ОП = 0 компаратор осуществляет фиксацию момента перехода U_ВХ через 0. в этом случае его еще и называют «нуль органом».

На рис. а приведена схема компаратора, на рис. б – диаграммы его работы, на рис. в – передаточная характеристика компаратора.

Выходным напряжением ОУ U₀ является: U₀ = U_ВХ – U_ОП, поэтому при U_ВХ < U_ОП, т.е. U₀ < 0, выходное напряжение ОУ: U_ВЫХ = U_ВЫХ⁺, а при U_ВХ > U_ОП, т.е. при U₀ > 0 : U_ВЫХ = - U_ВЫХ^-.

За счет большого коэффициента усиления ОУ малейшая разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, т.е. между U_ВХ и U_ОП, приводит к скачкообразному изменению полярности выходного напряжения ОУ.

При изменении подключения входного и опорного напряжений по входам произойдет инверсия передаточной характеристики компаратора (пунктир на рис. в).

40. Триггер Шмитта на основе ОУ.

Триггером Шмитта на основе ОУ называется компаратор с гистерезисом передаточной характеристики. Это устройство также называют «пороговым».

Триггер Шмитта на ОУ реализуется при охвате его ПОС-ю по неинвертирующему входу. Его схема и передаточная характеристика имеют вид:

Переключение триггера Шмитта в состояние U_ВЫХ^- происходит при увеличении U_ВХ до напряжения (порога срабатывания) U_СР, а в состояние U_ВЫХ⁺ при уменьшении U_ВХ до напряжения (порога отпускания) U_ОТП. Учитывая, что U₀ = 0 в моменты переключений, найдем U_СР и U_ОТП :

откуда ширина зоны гистерезиса (на рис.в – U_Г):

Если U_ОП =0, то напряжение

т.е. ширина зоны гистерезиса не изменилась, а U_СР и U_ОТП имеют разный знак. Т.о., передаточная характеристика в этом случае имеет вид:

Такая схема является основной для построения генераторов импульсов на ОУ. Важнейшими параметрами ОУ, работающего в импульсном режиме, является их быстродействие, которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного импульса напряжения.

41. Симметричный мультивибратор на основе ОУ.

Мультивибратором называется генератор периодической последовательности импульсов напряжения прямоугольной формы и имеющих 2 неустойчивых состояния. Мультивибраторы, как правило, используются в качестве задающего генератора, выходные импульсы которого несут какую-либо информацию. Информацией может служить частота импульсов или их период, длительность импульсов или их скважность, моменты формирования фронта или среза импульса.

Симметричным мультивибратором (СМВ) называется мультивибратор, генерирующий импульсы, длительность t_И равна длительности пауз t_П . Основой СМВ на ОУ служит компаратор с ПОС и нулевым U_ОП .

Схема СМВ и диаграммы его работы имеют вид:

Автоколебательный режим работы создается за счет подключения к инвертирующему входу ОУ времязадающей цепи, состоящей из резистора R и конденсатора C.

Принцип действия СМВ: пусть в момент времени t₀ U_C – U_R1 = U₀ > 0, тогда U_ВЫХ = - U_ВЫХ^-. На резисторе R1 напряжение:

Отрицательное напряжение на выходе ОУ обуславливает экспоненциальный заряд конденсатора С через резистор Rс полярностью, указанной на рис. а без скобок. В момент времени t₁ напряжение на конденсаторе С U_С достигает величины U_R1 и напряжение U₀ меняет полярность. Это обуславливает скачкообразное изменение полярности на выходе ОУ на положительную: U_ВЫХ = + U_ВЫХ⁺. U_R1 также меняет свою полярность: . В этом случае U₀ < 0, а выходное напряжение поддерживается положительным.

С момента времени t₁ конденсатор С перезаряжается через R от уровня на положительное напряжение под действием напряжения U_ВЫХ⁺.

В момент времени t₂ U_C достигает U_R1. При малейшем превышении U_С над U_R1 напряжение U₀ становится положительным, что вызывает смену полярности напряжения на выходе ОУ на отрицательную.