Импульсные устройства

 

где U_И и U_П - уровни сигнала в импульсе и паузе соответственно. Из-за смещения постоянной составляющей при усилении однополярных сигналов в нагрузке появляется двухполярный сигнал, при усилении двухполярных сигналов изменяется соотношение между уровнями сигнала в импульсе и паузе.

     Эффект  смещения постоянной составляющей невозможно устранить изменением емкости конденсатора, для этого после каждого разделительного  конденсатора применяют диодную схему восстановления постоянной составляющей, однако это затрудняет реализацию режима покоя во входной цепи транзистора, усложняет расчет схемы, а в ряде случаев, например, при малых уровнях сигнала, не дает желаемых результатов.

     Однотактные каскады режимов А и АВ применяется для усиления двухполярных сигналов U_СР = 0 и сигналов с большой скважностью, для которых U_СР близко к 0.

     

     3) Однотактный усилитель постоянного тока (УПТ) прямого усиления, например, с резистивной связью, построенный по схеме с общим эмиттером, не содержит разделительных конденсаторов, поэтому отсутствует смещение постоянной составляющей. Недостатком УПТ прямого усиления является так называемый «дрейф нуля», приводящий к невозможности реализации много-каскадных УПТ, где отклонения напряжения на коллекторе транзистора из-за, например, изменения температуры, усиливаются следующими каскадами и приводят к появлению сигнала на выходе УПТ в режиме покоя.

     В рассматриваемом случае требуется  небольшой коэффициент усиления усилителя, который можно обеспечить применением одного каскада усиления, что позволяет использовать схему УПТ прямого усиления.

     4) Дифференциальный УПТ. Эта схема свободна от всех недостатков выше рассмотренных схем, является универсальной - способна усиливать сигналы любой формы, однако имеет большее количество активных элементов (для реализации дифференциального каскада необходимо не менее трех транзисторов).

     На  основе анализа возможных технических  решений разрабатывается структурная  схема генератора (рис. 1.1). В качестве ЗГ используем ГИ на ОУ, усилительное звено реализуем на однокаскадном УПТ с резистивной связью по схеме с общим эмиттером.

Рисунок 1.1 Структурная схема генератора

     Режим работы транзистора - АВ. Поскольку каскад с общим эмиттером инвертирует напряжение, для получения в нагрузке положительного импульса на вход каскада необходимо подавать отрицательный импульс. Положительную «полуволну» сигнала с выхода ЗГ устраняем с помощью диодного ограничителя. Регулятор уровня сигнала в импульсе включается на входе УПТ.

     

     Следует отметить, что ЗГ на ОУ является более  универсальным в смысле получения на нагрузке импульсов той или иной полярности, т.к. формирует двухполярный сигнал. В рассматриваемом случае при выборе ЗГ на КМОП ЛЭ усилитель должен быть двухкаскадным, что ведет к заметному «дрейфу нуля».

     После составления структурной схемы  производят распределение искажений  фронтов импульсов по блокам генератора. Длительность фронта (среза) импульса на нагрузке определяется как

где t_Фi - длительность фронта импульса, добавляемая каждым блоком схемы, вносящим искажения. Такими блоками являются ЗГ, ограничитель и УПТ. В первом приближении можно распределить искажения фронта между блоками равномерно, тогда допустимая длительность фронта, добавляемая каждым блоком, определится как

t_Ф.ДОПi =

= 28,9 мкс.

     Далее производится расчет принципиальной схемы  генератора.  

     2 РАСЧЕТ ПРИНЩШИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРА

     2.1 Расчет задающего генератора

     Схема ГИ на ОУ представлена на рис. 2.1. Расчет схемы начинается с выбора ОУ из условия = .

Рисунок 2.1 Схема генератора импульсов на ОУ

     Выбираем  ОУ типа К140УД8. Параметры ОУ представлены в табл. 2.1.

     Далее производят проверку ОУ по   быстродействию.   Определяется

время переключения t_ПЕР = = 10 мкс. Поскольку после ограничителя останется только одна «полуволна» сигнала, длительность фронта им пульса с выхода ЗГ определится как t_Ф.ЗГ = t_ПЕР /2 = 5 мкс, что меньше t_Ф.ДОПi, т.е. схема на данном ОУ может быть реализована.

     Таблица 2.1

     Параметры ОУ К140УД8       

 
     Определяются  параметры цепи отрицательной обратной связи. Выбирается коэффициент передачи цепи ПОС χ из условия обеспечения безаварийной работы ОУ. При работе схемы максимальное дифференциальное напряжение достигается в момент переключения и составляет U_0max = 2χU_ВЫХmax - Оно не должно превышать допустимого,

 
     

т.е. χ< = 0,3. Принимаем χ = 0,2. Далее выбирается одно из сопротивлений, например, R₁ = 10 кОм. Величина R₁ должна быть много меньше R_ВХ.ОУ (как минимум на два порядка) для того, чтобы входные токи ОУ не влияли на работу схемы. Второе сопротивление цепи ПОС определяется из выражения для χ и составляет R₂ = 40 кОм. Сумма сопротивлений R₁ и R₂ должна быть больше R_Нmin, чтобы подключение цепи ПОС к выходу ОУ не вызвало выхода его из строя. При выбранных сопротивлениях оба условия, накладываемые на величины сопротивлений цепи ПОС, выполняются, в противном случае необходимо выбрать большее R₁ и повторить расчет R₂.

     Рассчитывается  времязадающая цепь R-C. Длительность формируемого импульса зависит от постоянной времени цепи перезаряда конденсатора τ = RC, уровней выходного напряжения и коэффициента передачи цепи ПОС и определяется по формуле:

     Задается  емкость конденсатора С = 0,22 мкФ (из ряда предпочтительных значений по ГОСТ 28884 - 90). Диапазон возможных значений емкости очень широк, важно, чтобы конденсатор был неполярным, т.к. полярность напряжения на нем при работе схемы меняется.

     По  формуле (2.1) для t_{И min} определяемся R_min =17,045 кОм, для t_Иmax определяется R_max = 34,09 кОм.

     R_min 17,045кОм;

     R_maxln(1+0,2)(1-0,2) = 34,09кОм.

     Диапазон  изменения R соответствует условию

                       R_min<R<< R_ВХ.ОУ .                                                  (2.2)

в противном  случае нужно изменить емкость конденсатора и повторить расчет.

     Обычно  переменные резисторы выполняются  с возможностью регулировки сопротивления от нулевого значения. Для ограничения t_Иmin и предотвращения, выхода ОУ из строя при выводе движка потенциометра на «0» (ток в цепи ничем не ограничивается, выход ОУ оказывается закороченным), цепь перезаряда выполняется из двух последовательно включенных сопротивлений - постоянного 10 кОм и переменного 15 кОм (из ряда предпочтительных значений по ГОСТ 28884 -90).

     

     При больших диапазонах изменения  t_И не всегда удается обеспечить выполнение условия (2.2). В этом случае применяют несколько конденсаторов разной емкости, подключаемых к входу ОУ через механический переключатель. При этом весь диапазон изменения t_И разбивается на поддиапазоны, регулировку внутри поддиапазона осуществляют изменением сопротивления R, а переход к другому поддиапазону - переключением конденсатора.

     

     После расчета сопротивлений схемы  производится проверка ОУ по допустимому  выходному току. Для безаварийной работы ОУ необходимо выполнение условия:

I_ПОС + I_ООС + I_Н <I_{ВЫХ.ДОП},

где I_ПОС =   = 0,2 мА - ток цепи положительной обратной связи; I_ООС -ток цепи отрицательной обратной связи - времязадающей цепи, его величина при работе схемы меняется. Максимальное значение тока достигается в момент переключения при минимальном сопротивлении, т.е.

Iоос_max = (1+c) = 0,7мА

     Определяется  допустимый выходной ток ОУ.

Iвых_доп = 5мА

     Сумма токов обратных связей должна быть меньше I_{ВЫХ.ДОП}. Далее определяется допустимый ток нагрузки ЗГ:

I_Н.ДОП = I_{ВЫХ.ДОП} - I_ПОС - I_{ООС max} = 5-0,2-0,7 = 4,1мА,

по которому определяется минимально допустимое сопротивление нагрузки ЗГ

Rн_доп = 2,4кОм

     Этот  параметр используется при расчете  следующих блоков.

     При построении генератора, формирующего несимметричную последо-вательность импульсов (Q 2), цепь перезаряда конденсатора выполняют, как показано на рис. 2.2. Изображена часть схемы, включаемая вместо сопротивления R схемы (рис. 2.1).

Рисунок 2.2 Цепь перезаряда конденсатора

     Из-за наличия диодов при формировании той или иной стадии сигнала ток  перезаряда протекает по цепям с различными постоянными времени, что позволяет получить сигнал с t_И  t_П. Расчет сопротивлений производят по формуле (2.1), исходя из необходимых длительностей соответствующих стадий. Диоды выбирают из условий:

U_{ОБР.ДОП} > (1 + χ)U_BbIXmax; I_ПР.ДОП > I_{ООС max}

(здесь ток  I_{ООС max} определяется для каждой из цепей). Кроме этого, диоды должны удовлетворять условию

R_ОБР >> R_тах,

где R_ОБР - сопротивление диода при обратном включении, R_max - наибольшее сопротивление в цепи, включенной параллельно той, для которой выбирается диод. Проверку ОУ по допустимому выходному току производят по максимальному из токов I_{ООС max}. 

     2.2 Расчет ограничителя

     Ограничитель  должен ограничивать положительную  «полуволну» сигнала с выхода ЗГ. Выбираем последовательный диодный ограничитель сверху с нулевым порогом ограничения.