Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

Конденсатор Сэ способствует и сокращению длительности среза. В момент окончания входного импульса конденсатор Сэ начинает разряжаться. Разрядный ток конденсатора приводит к образованию отрицательного всплеска базового тока, благодаря чему ускоряется формирование среза.

При выборе параметров токоограничивающей цепи предполагалось, что амплитуда входного импульса Uвхт не меняется. В действительности входное напряжение в определенных пределах может меняться. При этом если оно превышает расчетную величину, то наступает насыщение транзистора, что приводит к расширению импульса.

Если расширение импульса, обусловленное насыщением, недопустимо, то применяют ключ с нелинейной обратной связью, а в современных разработках – ключ на транзисторе Шоттки.

В качестве усилителя-ограничителя можно использовать и электронный ключ на униполярном транзисторе как с управляющим р- п-переходом, так и на МДП-структурах. Однако при переходе в крутую область ВАХ униполярный транзистор (в отличие от биполярного, работающего в области насыщения) все же усиливает сигнал, поэтому ограничение сигнала происходит не так уж четко. Поэтому на практике предпочтение отдают биполярным транзисторам.

6.1.4. Ограничители амплитуды сигналов на ИОУ, ИКН, логических элементах и триггерах

В качестве ограничителя амплитуды можно также использовать ИОУ или ИКН без дополнительного диодного ограничителя.

Достаточно высокое качество ограничения реализуется при помощи интегральных логических элементов, рассмотренных в пп. 2.5–2.7. Эти элементы содержат транзисторный ключ, представляющий собой усилитель-ограничитель. Основные параметры ограничителей амплитуды на основе логических элементов определяются переключательной характеристикой и импульсными свойствами последних. Пороги ограничения определяются напряжениями, разграничивающими активную область работы элемента от пассивной. В устройствах на элементах ДТЛ и ТТЛ уровень огра-

321

ничения по максимуму можно регулировать путем изменения напряжения источника питания инвертора.

Если наряду с ограничением амплитуды сигналов требуется и формирование импульсов с крутыми фронтом и срезом, то целесообразно использовать схемы с регенеративной обратной связью, к числу которых прежде всего относятся триггеры. Особенно удобными оказываются для этой цели несимметрчные триггеры (представляющие собой аналог триггера Шмитта). Для примера на рис. 6.16 показана схема несимметричного триггера на интегральном логическом элементе ЭСЛ. Элемент охвачен регенеративной обратной связью путем соединения выхода 2 с входом 1. Вход 2 используется для подачи входного сигнала. Выходной сигнал снимается с выхода 1. Можно использовать для этой цели и выход 2, однако при этом нарушается нормальная работа триггера из-за влияния нагрузки на глубину регенеративной обратной связи.

Рис. 6.16. Схема несимметричного триггера на ЭСЛ-элементе, используемого в качестве ограничителя амплитуды

6.2. Усилители – формирователи коротких импульсов

6.2.1. Назначение и параметры усилителей – формирователей коротких импульсов

Усилители-формирователи применяются для преобразования импульсов по длительности, в данном случае для укорочения импульсов.

322

Укорочение импульсов применяется для формирования кратковременных импульсов из перепадов напряжения или тока, для уменьшения длительности импульсов при запуске и синхронизации релаксационных генераторов, триггеров и т.п. Длительность импульсов можно уменьшить их дифференцированием. Для укорочения импульсов точного дифференцирования не требуется, поэтому в большинстве случаев можно использовать простейшие цепи в виде емкостного или индуктивного контура. В схемах на униполярных транзисторахукорачивающие схемы подключают к выходу усилителя. В устройствах на биполярных транзисторах отдают предпочтение схемам с укорачивающей цепью на входе усилителя.

Для укорочения импульсов можно также воспользоваться собственной задержкой распространения сигнала в цепи электронных ключей. Такой способ укорочения импульсов часто встречается в современных разработках на ИМС, заменив таким образом навесные компоненты, образующие дифференцирующий элемент, цепочкой логических ИМС.

Основными параметрами усилителей-формирователей являются следующие величины:

•длительность формируемого импульса tи;

•его амплитуда Uвыхт;

•длительности фронта и среза импульса;

•время восстановления установившихся величин напряжений

итоков в усилителе tвосст.

Параметры укорачивающей цепи определяют исходя из требований к длительности и амплитуде выходного импульса. Длительность же и в особенности амплитуда выходного импульса зависят от параметров усилителя, а также от параметров входного импульса, т.е. от его амплитуды, крутизны нарастания фронта, длительности. Поэтому далее укорачивающие цепи рассматриваются во взаимодействии с усилителем.

Параметры схемы укорочения необходимо выбирать таким образом, чтобы при наибольшей длительности входного импульса длительность выходного не превышала заданной величины. Поэтому анализ работы и расчет схем, используемых для укорочения импульсов, целесообразно вести для случая, когда входной сигнал

323

представляет собой перепад напряжения или тока, т.е. импульс неограниченной длительности. Очевидно, что если в этом случае длительность выходного импульса не превышает заданной, то она тем более не превысит эту величину при воздействии импульса конечной длительности.

6.2.2.Формирователи коротких импульсов

сдифференцирующими цепями

Как известно, длительность импульса можно уменьшить дифференцированием при помощи емкостного или индуктивного контура.

Усилители с емкостной укорачивающей цепью. На рис. 6.17,а и 6.18,а показаны схемы усилителей-формирователей, в которых укорочение импульса производится при помощи конденсатора С. В схеме на биполярных транзисторах (рис. 6.17,а) укорачивающая RС-цепь подключается к входу усилителя, а в схеме на униполярных транзисторах – к его выходу (рис. 6.18,а).

Рис. 6.17. Схема транзисторного формирователя коротких импульсов с емкостным контуром на входе (а) и эпюры напряжения входного генератора Uг, токов базы Iб, коллектора Iк и выходного напряжения Uкэ (б)

324

На практике обычно применяются нормально-закрытые усилители, отпираемые входными импульсами. В схеме на рис. 6.17,а транзистор запирается источником смещения Есм. Резистор R, сопротивлением порядка нескольких килоом, служит для подачи запирающего смещения на базу транзистора, а диод Д способствует быстрой разрядке конденсатора С после окончания входного импульса, благодаря чему уменьшается величина динамического смещения, способного ослаблять действие последующих входных импульсов.

Эпюры напряжений и токов в усилителе-формирователе с емкостным контуром приведены на рис. 6.17,б. В исходном состоянии формирователь закрыт. В момент времени t0 на вход поступает идеальный перепад напряжения с амплитудой Uгт. Транзистор отпирается, ток базы скачком возрастает на величину Iбт, затем из-за заряда укорачивающего конденсатора постепенно уменьшается.

Ток базы Iб(t) можно представить как разность двух составляющих:

−		t			−		t
Iб(t) = Iбтe	τ			− e		τ			,
		ук	− Iб.зап 1				ук
где τук С(rб + Rг).

Рис. 6.18. Схема транзисторного формирователя коротких импульсов

семкостным контуром на выходе (а)

иэпюры напряжения на входе Uвх, стоке транзистора Uс и выходе Uвых (б)

б

325

Первая составляющая тока амплитудой Iбт насыщает транзистор. Вторая составляющая, амплитуда которой Iб.зап определяется величиной смещения, стремится запереть транзистор. Изменение тока базы определяется постоянной времени укорачивающей цепи τук.

В момент времени t1 (см. рис. 6.17,б) транзистор попадает в насыщение и потенциал его коллектора фиксируется на уровне Uкн. Завершается формирование фронта импульса, длительность которого (с учетом влияния емкости нагрузки Сн) можно оценить по приближенной формуле

Iкн

Cн

tфр ≈ 0,8

τ

+ R

C

к

+

,

Iбт

TN

нк

βN

где Rнк = Rн || Rк.

После насыщения транзистора начинается формирование плоской вершины импульса. На этом этапе сначала происходит накопление носителей в базе, но затем по мере уменьшения тока базы накопление прекращается и начинается рассасывание избыточных носителей. Наконец, в момент времени t2 транзистор выходит из насыщения и начинается формирование среза импульса. После выхода из насыщения восстанавливаются усилительные свойства транзистора. К этому моменту времени укорачивающий конденсатор успевает зарядиться настолько, что напряжение на этом конденсаторе почти полностью компенсирует действие входного сигнала. При этом величина тока в основном определяется напряжением источника смещения, которое стремится запереть транзистор. Таким образом, длительность выходного импульса практически определяется продолжительностью нахождения транзистора в области насыщения. Это время рассчитывается из уравнения для заряда избыточных носителей в базе, накопленных непосредственно

уколлекторного перехода.

Сизменением тока нагрузки, амплитуды входного импульса и параметров транзистора изменяется длительность выходного импульса, что необходимо иметь в виду при расчете схемы. Измене-

ние длительности импульса tи, вызываемое отклонением амплитуды входного импульса от номинальной величины, можно уменьшить предварительным формированием входного сигнала при по-

326

мощи предусилителя-ограничителя. Если же изменение длительности импульса tи превышает допустимую величину из-за изменения в широких пределах тока нагрузки, то можно уменьшать tи, нагружая усилитель на балластное сопротивление. Включение этого сопротивления ограничивает диапазон изменения тока нагрузки Iкн и тем самым способствует стабилизации выходного импульса. Однако балластное сопротивление увеличивает ток коллектора в насыщении, что приводит к уменьшению нагрузочной способности усилителя и увеличению потребляемой мощности.

Усилители с индуктивной укорачивающей цепью. В качестве такой цепи удобно использовать трансформатор, который включается на вход биполярного ключа или на выход униполярного. На рис. 6.19 приведена схема усилителя-формирователя с укорачивающим трансформатором на входе. Входной трансформатор одновременно позволяет согласовать источник сигналов с усилителем. Для согласования усилителя с нагрузкой используется выходной трансформатор.

Рис. 6.19. Схема формирователя коротких импульсов с укорачивающим трансформатором на входе

Временные диаграммы трансформаторного усилителя-форми- рователя приведены на рис. 6.20. При включении входного перепада ток базы скачком увеличивается на величину

Iбт =	1				Uгт	−
	R
	rб +	г			n
					вх
		n2
		вх

(Eсм +Uот) ,

W1	– коэффициент трансформации входного транс-
пвх = W

2

форматора; Uот – напряжение отпирания транзистора.

327

(Eк −Uкн) ,

Очевидно, что чем большей величины амплитуда базового тока Iбт, тем меньше длительность фронта выходного импульса. С этой точки зрения целесообразно выбрать коэффициент трансформации равным

			rб				2
пвх.опт =	Rг				Eсм +Uот				Eсм +Uот
				+				−			.
	r		R		U	гт			U	гт
	б		г

Рис. 6.20. Эпюры токов базы Iб, коллектора Iк, напряжений на коллекторе Uкэ и выходе усилителя Uвых (б)

При этом Iбт достигает своей максимальной величины. В усилителе с дифференцирующим трансформатором (так же как в предыдущих схемах) ток базы спадает с постоянной времени

					1			1
τ	ук	= L					+
						2		R
		1вх		r n					.
								г
					б вх
Влияние					укорачивающего
трансформатора					проявляется в

следующем: с увеличением тока намагничивания ослабляется действие входного сигнала и возрастает влияние запирающего смещения.

Ток коллектора, достигнув уровня насыщения

Iкн = 12 Rнnвых

продолжает возрастать из-за увеличения тока намагничивания выходного трансформатора и к моменту времени t2 становится равным

		1		tи
			+
				L
	Iкт = (Eк −Uкн) R
		н		1

328

( пвых = W1 – коэффициент трансформации и L1 – индуктивность

W2

первичной обмотки выходного трансформатора).

В усилителе с трансформаторным выходом изменение длительности выходного импульса tи можно заметно уменьшить увеличением тока намагничивания, т.е. уменьшением индуктивности первичной обмотки выходного трансформатора L1. Минимально допустимая величина этой индуктивности так же, как в усилителе-ограничителе, определяется допустимой величиной тока коллектора.

6.2.3. Формирователи коротких импульсов на ИМС

Очевидно, что вместо транзисторного ключа можно использовать логический элемент в интегральном исполнении. На рис. 6.21, a показана схема формирователя коротких импульсов с дифференцирующим RC-контуром на входе логического элемента ТТЛ, выполняющего функции усилителя-формирователя. В качестве усилителя можно использовать и другие логические элементы.

Рис. 6.21. Схема формирователя коротких импульсов на ИМС ТТЛ-элемента (а) и эпюры напряжений входного генератора Uг, на выходе дифференцирующей цепи Uдиф

и выходе ТТЛ-элемента (б)

б

329

В этой схеме укорочение импульса производится при помощи RС-цепи. Для ускорения разряда конденсатора С, a также для предотвращения пробоя эмиттеров транзистора Т1 выход дифференцирующей цепи обычно шунтируется диодом Д (часто на входе ТТЛ-элемента ставятся противозвонные диоды).

На рис. 6.21, б приведены эпюры напряжений, поясняющие работу формирователя коротких импульсов с укорачивающим RС- контуром на входе. При подаче на вход перепада напряжения Uг, когда его амплитуда достигает уровня Uвх.от, инвертор на выходе логического элемента отпирается и начинается формирование выходного импульса. По мере заряда укорачивающего конденсатора С постепенно уменьшается напряжение на входах логического элемента, что в конечном итоге приводит к запиранию инвертора. На выходе схемы формируется короткий импульс, длительность которого tи определяется постоянной времени укорачивающей RС-цепи.

Для укорочения импульсов можно воспользоваться собственной задержкой распространения сигнала в цепи логических элементов. Пример такого формирователя на интегральных логических элементах показан на рис. 6.22, а. Цепь задержки состоит из трех логических элементов Л1, Л2 и Л3. Элемент Л4 предназначен для формирования выходного импульса. При подаче на вход перепада напряжения (рис. 6.22, б) выходной инвертор Л4 отпирается и начинается формирование короткого импульса. Одновременно происходит изменение состояний логических элементов Л1, Л2 и Л3 в цепи задержки. Когда переключается Л3, изменяется входное напряжение Л4, что приводит к запиранию выходного инвертора. Таким образом формируется короткий импульс, длительность которого tи (на уровне 0,5Uвыхт) практически определяется суммарной задержкой распространения сигнала в цепи логических элементов

Л1, Л2 и Л3, т.е.

tи = t1,0зд.р1 +tзд0,1.р2 +t1,0зд.р3 +tзд0,1.р4 −t1,0зд.р4 .

Если для формирования импульсов заданной длительности tи требуется относительно большое число логических элементов, то в качестве элемента задержки целесообразно использовать интегрирующий конденсатор, шунтирующий выход логического элемента в цепи задержки.

330