Жаркова Н.А. Анализ импульсных схем (2013)

Московский государственный технический университетим. Н.Э. БауманаФакультет Радиоэлектроники и лазерной техникиКафедра Радиоэлектронные системы и устройстваН.А. ЖарковаАНАЛИЗ ИМПУЛЬСНЫХ СХЕМЭлектронное учебное изданиеМетодические указания к решению задач по дисциплине «Цифровыеустройства и микропроцессорная техника»Москва(С) 2013 МГТУ им. Н.Э. БАУМАНАМосковский государственный технический университетим.

Н.Э. Баумана2УДК 621.374Рецензент: доц. кафедрыН.А. ЖарковаЗадачи анализа импульсных схем. Электронное учебное издание. – М.: МГТУ имениН.Э. Баумана, 2013. 23 с.Методические указания предназначены для подготовки к семинарам и сдачи первогомодуля по курсу ЦУ и МП. Приведены примеры инженерного решения задач анализа схем,включающих линейные и нелинейные элементы, при воздействии импульсных сигналов.Приведена методика и примеры расчета идеальных интеграторов и дифференциаторов наоперационных усилителях.

Подробно рассмотрены схемы компараторов и генераторов(мультивибраторов) на операционных усилителях и их расчет.Рекомендованоучебно-методическойкомиссией«Радиоэлектроники и лазерной техники» МГТУ им. Н.Э. БауманаЭлектронное учебное изданиеЖаркова Надежда АлексеевнаАНАЛИЗ ИМПУЛЬСНЫХ СХЕМ©2013 МГТУ имени Н.Э. БауманаОГЛАВЛЕНИЕЖаркова Н.А. Анализ импульсных схемфакультета3ОГЛАВЛЕНИЕ1. АНАЛИЗ КЛЮЧЕВЫХ СХЕМ .............................................................................................. 42.

АНАЛИЗ СХЕМ ФОРМИРОВАТЕЛЕЙ ИМПУЛЬСОВ................................................... 62.1. Цепи первого порядка ........................................................................................................ 62.2. схемы первого порядка с диодами . ....................................................................................

82.3. Схемы первого порядка с транзисторами . ..................................................................... 143. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ .............. 163.1. Идеальный интегратор........................................................................................................ 163.2.

Идеальный дифференциатор ............................................................................................. 183.3 Простой компаратор или детектор уровня ................................................................ 193.4.Регенеративный компаратор, .......................................................................................... 193.5 Мультивибратор автоколебательный на ОУ ............................................................... 203.6 Мультивибратор ждущий на ОУ .................................................................................... 23ОГЛАВЛЕНИЕЖаркова Н.А.

Анализ импульсных схем4Для успешного решения задач всех разделов методических указаний предварительнонеобходимо прослушать курс лекция «Схемотехника аналоговых устройств». Присамостоятельной подготовке необходимо использовать электронное Учебное пособие«Типовые узлы цифровых устройств» [1], а также рекомендованную литературу илидругую учебную литературу по Импульсной технике.1. АНАЛИЗ КЛЮЧЕВЫХ СХЕМЗадача №1Получить выражения для определения напряжения запирания закрытого транзистора(режим отсечки) и тока отрытого транзистора (режим насыщения) для ключевой схемырисунок 1.Дана ключевая схема рисунок 1. Элементы схемы, режим работы, параметрытранзистора известны: Rг,R1,R2,R3,Ek,Eсм,,Ik0,Uбэн,Е1,Е0.Определить: - Uбз –напряжение запирания транзисторного ключа.- Iб/Iбн - = S – коэффициент насыщения.ЕкR3R1RгнаправленииUвых(t)наличиязапираниятокаIk0,транзистора.которыйВвидуособенноприповышении температуры работает на открываниеR2ЕгЕсм – источник напряжения подключается втранзистора.ЕсмРисунок 1Ik0R2R1 ’1)Длязакрытоготранзисторарасчетведется по эквивалентной схеме рисунок 2.Uвых(t)0Ег=ЕЕсмR’3UбзВходной сигнал равен Е0 ≈0 и не долженоткрыватьтранзистор.Входноесопротивление закрытого транзистора R’ЗРисунок 2велико и его можно не учитывать.

Есмвключено на запирание.ОГЛАВЛЕНИЕЖаркова Н.А. Анализ импульсных схем5Выражение получено ранее методом наложения ЭДС для трех источников.U áç  I k 0R1' R2R1'R Eñì ' E 0 ' 2 , где (R’1=Rг+R1)'R1  R2R1  R2R1  R2При определении запирающего напряжения необходимо знать ток закрытоготранзистора Iк0, который при повышении температуры окружающей среды сильновозрастает и может привести к открыванию транзистора.Iк0(T)= Iк0(T0)(2-3)(T-T0)/10, (удваивается на каждые 100).2 –кремниевые, 3 – германиевые2) Для открытого транзистора эквивалентнаяR2R1’схема рисунок 3. Ток Iб есть сумма токов отвсехIEгIEсм1Ег=ЕR’от.тUбэнЕсмисточников,включаяипадениенапряжения на открытом транзисторе. Обычнопо сравнению с входным воздействием Е1принимаем Uбэн=0.В режиме насыщения выражения для тока IбРисунок 3имеет вид:Iб =Е1/R’1+Eсм/R2–UбэнR’1R2/(R’1+R2),I бн  E k /(R3 ) ,S=Iб/Iбн.Задача №2Дана схема рисунок 4:ЕкRкR1Элементы схемы заданы: Eк=15 B, Rк=1 K, Eсм=-2 B,=30, R2=2 K, R1=4 K, Iк0=10 mkA, Uбэн=0.Требуется определить статический режим работыUвых(t)транзистора (активный, насыщения или отсечки),если: а) Uвх=0, б) Uвх=5 B, в)Uвх =8 B.ЕгR2РешениеЕсма) Uвх=0.

Предполагаем, что режим отсечки. Дляэтого необходимо проверить выполнение условия:Рисунок 4Uб = Uбз =-EсмR1/(R1+R2)+Iк0R1R2/(R1+R2).Для наших данных Uб =-1,33 В. Т.к. Uб<0 - режимотсечки.б) Uвх=5 B. Проверяем условие насыщения Iб>Iбн (Uбэн=0):ОГЛАВЛЕНИЕЖаркова Н.А. Анализ импульсных схем6Iб=U1/R1–Eсм/R2=0,25мА,Iбн=Eк/Rк = 0,5 мА.Iб<Iбн условие насыщения не выполняется, следовательно - активный режим работытранзистора..в) Uвх=8 B. Проверяем условие насыщения Iб>Iбн (Uбэн=0):Iб=U1/R1–Eсм/R2=1мА, Iбн=Eк/Rк=0,5 мА.Iб>Iбн условие насыщения выполняется.Задача №3Требуется определить ток коллектора для параметров задачи №1 для режимов:а) отсечки – Iк=Iк0 = 10 mkAб) активного – Iк=Iб = 0,25 mA x 30 = 7,5 mA.в) насыщения – Iк=Iкн=Eк/Rк = 15/1000 = 15 mA.2. АНАЛИЗ СХЕМ ФОРМИРОВАТЕЛЕЙ ИМПУЛЬСОВ2.1.

Цепи первого порядкаТак как в основе работы цифровых устройств используются импульсные сигналы, точасто необходимо знать реакцию схемы на импульсное воздействие. Если в составе цепиприсутствуют нелинейные элементы (диоды, транзисторы и пр.), то при анализе ихзаменяют эквивалентными схемами. В инженерных расчетах допустимо считать диод,включенный в прямом направлении обладающим сопротивлением 5…15 Ом и падениемнапряжения на переходе Uпр равным в зависимости от типа диода 0,2….0,8 В.

Если диодвключен в обратном направлении, то он обладает очень малой проводимость или большимсопротивлением равным 1…10 Мом. Транзистор для импульсных сигналов в открытомсостоянии (насыщения) обладает малым сопротивлением, говорят, «стянут в точку». Взакрытом состоянии (отсечка) транзистор представляют большим сопротивление и егоможно моделировать как разрыв. Схему, включающую в себя линейные и нелинейныеэлементы, стараются преобразовать к цепи первого порядка. Такая цепь при подаче на неескачка напряжения (тока) стремиться по экспоненциальному закону к устойчивомусостоянию.

Скорость установления напряжения (тока) соответствует постоянной временицепи, а размах экспоненты Е величине напряжения (тока) рисунок 5.ОГЛАВЛЕНИЕЖаркова Н.А. Анализ импульсных схем7U1/е ЕUСRC, URRLЕtуст0,9 =3…41/е ЕURRC, ULRLtРисунок 5Существует только четыре типа включения цепей первого порядка. Ниже рисунок 6показаны выходной отклик напряжения этих цепей при подаче на соответствующие входыимпульсного сигнала.=CRа)CRUвхUвхUCUвхUвхUвыхUвыхttиб) RULUвхUвыхUвыхR=L/Rв)Uг)UвхUвыхUвыхtиtиUвхtLtURUвхUвыхUвыхtиtРисунок 6В пособии приведена методика анализа различных схем с заданными параметрами,включающих как линейные так нелинейные элементы при подаче на вход импульсногосигнала.

Эта методика также используется для оценки и анализа схем идеальныхинтегратора и дифференциатора на ОУ, расчета частоты генераторов (мультивибраторов)на ОУ.ОГЛАВЛЕНИЕЖаркова Н.А. Анализ импульсных схем82.2. схемы первого порядка с диодами .Задача 1 Дана схема рисунок 7.Заданы элементы схемы: R1, R2, L,R1Rобр - сопротивление закрытого диода,R2UвыхЕгДRпр - сопротивление открытого диода,Uпр - падение напряжения на открытом переходеLдиода, Eг –величина и tи - длительность входногоРисунок 7импульса.Определить: форму импульсного отклика напряжения Uвых и величины токов через R1, L, R2и диод в течении t=0 до t =2tи.РешениеОпределяем Uвых(t)Время 0<t<tи.

Подается положительный скачет напряжения от 0 до Eг и диодоказывается закрыт. Расчет нужно вести по эквивалентной схеме рисунок 8а, которая врезультате замены эквивалентным сопротивлением и генератором трансформируется всхему рисунок 8б.RобрRR1Rэкв2LUвых(t)ЕгLЕг эква)Uвых(t)б)Рис.8.R2’=R2//Rобр, Если согласно исходным даны Rобр>>R2, то разумно принять Rобр=R2.Eг экв=R2’Eг/(R1+R2’), Rэкв= R1//R2’, 1 =L/Rэкв,Uвых1(t) = Eг экв ехр(- t/1).Определяем Uвых1(t) для t = 0, t =tи/2, t =tиU= Eг экв- Uвых(tи)Время t>tи.

Импульс напряжения закончился и, если нет диода, на выходе появилсябы отрицательный скачек напряжения -U (см. рис.2в.).Если U< Uпр то эквивалентная схема рис.4б (диод закрыт) и Uвых2(t)=- U Exp(-t/1).Если U> Uпр, расчет надо вести по эквивалентной схеме рисунок 9:, так как когдадиод открывается, и на выходе фиксируется напряжение открытого перехода диода Uпр,ОГЛАВЛЕНИЕЖаркова Н.А. Анализ импульсных схем9ПараметрыR1rпррисунокR2Uвых(t)Ег5эквивалентнойопределяютсясхемыRэкв2=R1//R2//Rпр,R2’=R2//Rпр, 2=L/Rэкв2.Спад напряжения на выходе (при отсутствииLдиода) определяется из соотношения.