Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

а

Рис. 6.22. Формирователь коротких импульсов на ИМС логических элементов:

а– схема включения логических элементов;

б– эпюры, иллюстрирующие работу формирователя

б

Для формирования коротких импульсов можно использовать задержку сигнала в триггере. На рис. 6.23, а для примера показана схема формирователя на RS-триггере, который построен на логических элементах Л1 и Л2.

а

Рис. 6.23. Схема формирователя коротких импульсов на основе триггера с включением логических элементов (а) и эпюры, иллюстрирующие работу формирователя (б)

б

331

Элемент Л3 предназначен для формирования выходных импульсов. При подаче на вход импульса (рис. 6.23, б) отпирается выходной инвертор Л3 и остается в этом состоянии до тех пор, пока не произойдет переключение элемента Л1 в схеме триггера. Переброс же триггера обеспечивается подачей выходного перепада на вход Л2. При этом на выходе формируется короткий импульс с длительностью

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

6.3.Усилители – расширители импульсов

6.3.1.Назначение и параметры усилителей – расширителей импульсов

Усилители-расширители предназначены для преобразования импульсов по длительности и применяются для увеличения длительности импульса.

Расширение импульсов, т.е. увеличение длительности кратковременного импульса, применяется при регистрации импульсов, для задержки и запоминания импульсных сигналов и т.д. Расширение импульсов связано с накоплением электрического заряда (или потока сцепления) и его сохранением в течение возможно большего времени, что можно реализовать при помощи интегрирующих цепей.

Электрическое интегрирование, так же как и дифференцирование, производится реактивными элементами. Простейшими интеграторами могут служить емкостной и индуктивный контуры. Как известно, напряжение на емкости определяется интегралом зарядного тока, т.е.

t

UC (t) = C1 ∫0 iC dt .

В индуктивном контуре ток, протекающий через индуктивность, является интегралом напряжения индукции:

332

t

iL (t) = L1 ∫0 ULdt .

Для расширения импульсов не требуется точного интегрирования, поэтому обычно используются простейшие цепи в виде емкостного или индуктивного контуров. В схемах на униполярных транзисторах наиболее часто применяют емкостной контур, так как эти схемы обладают сравнительно высокоомным входом и выходом. В схемах на биполярных транзисторах более подходящим является индуктивный контур, который позволяет заметно увеличить длительность импульса при работе на низкоомную нагрузку. Такие схемы, как известно, обладают сравнительно низкоомным входом. Однако схемы с индуктивным контуром не получили широкого распространения. Чтобы получить заметное расширение импульсов, индуктивный контур надо подключить к источнику с низкоомным выходом. Биполярный транзистор имеет малое выходное сопротивление в насыщении. Насыщение транзистора связано с накоплением избыточных носителей в базе, которое само собой дает интегрирующий эффект. Поэтому при работе в режиме насыщения в большинстве случаев отпадает необходимость в дополнительном контуре в виде индуктивности, так как удается заметно увеличить длительность выходного импульса за счет накопления носителей заряда в базе.

Расширение импульсов почти всегда сопровождается уменьшением амплитуды сигнала, поэтому расширяющий контур применяется совместно с усилителем. Ниже рассматриваются усилительрасширитель с емкостным контуром и транзисторный усилитель, в котором расширение импульсов обусловлено накоплением избыточных носителей в базе.

Усилители-расширители характеризуются следующими параметрами:

•длительностью формируемого импульса tи;

•амплитудой Uвыхт;

•длительностями фронта и среза импульса.

333

6.3.2.Усилители – расширители импульсов

семкостным контуром

Всхеме транзисторного усилителя с емкостным контуром (рис. 6.24, а) в качестве расширяющей цепи используется емкость кол-

лекторного перехода и паразитная емкость C0, шунтирующая выходную цепь усилителя. При этом заметное расширение имеет место только при работе на высокоомную нагрузку. Следует иметь также в виду расширение импульса, обусловленное инерционностью транзистора.

Рис. 6.24. Схема транзисторного расширителя с емкостным контуром (а) и эпюры, иллюстрирующие его работу (б)

Усилитель нормально закрыт и отпирается импульсом тока. В течение воздействия входного импульса изменение выходного напряжения определяется приближенным выражением

Uвых( p) ≈				Iб( p)					.
		C0			1		1
	p Cк +					+
					R		R
		β	N	+ τTN
					к		н

Таким образом, в транзисторном усилителе амплитуда выходного импульса

		1	tи.вх
Uвыхт =			∫Iб(t)dt ,
	C	0экв
			0

где эквивалентная емкость

334

		C0			1		1
	С0экв = Ск +					+
					R		R
		β	N	+ τTN				.
					к		н

К моменту прекращения входного сигнала амплитуда выходного импульса достигает величины Uвыхт, a затем по мере разряда емкостей Cк и С0 спадает по экспоненте с постоянной времени τр (рис. 6.24, б). В промежутках времени t > tи.вх выходное напряжение изменяется по закону

Uвых(t) = Uвыхт exp − t −tи.вх .τр

Длительность выходного импульса tи в основном определяется временем разряда емкостей Ск и C0, поэтому чем больше постоянная времени их разряда τр, тем больше и длительность импульса tи. Для расширения импульсов, как правило, используют нормально закрытые усилители, так как в них постоянная времени τр большей величины, чем в нормально открытых усилителях.

Длительность выходного импульса в нормально закрытом усилителе определяется временем разряда интегральной емкости коллекторного перехода Ск и емкости C0, т.е. tи = аτр, где а – коэффициент, величина которого зависит от уровня напряжения, на котором определяется длительность выходного импульса (на уровне 1 Нп а = 1, a на уровне 0,05 Uвыхт коэффициент а = 3). Постоянная разряда этих емкостей

τ		= (С + С )	RкRн
	р	к 0	R	+ R
			к	н

растет с увеличением сопротивлений Rк и Rн. Емкость С0 обычно определяется емкостью нагрузки Сн. Заметим, что в транзисторном усилителе для увеличения τр в определенных пределах можно уве-

личить емкость Сн до требуемой величины C0. Если C0 Ск(1+ βN), то с увеличением С0 амплитуда выходного импульса уменьшается не так уж существенно.

Аналогичную схему расширителя можно строить на полевых транзисторах. В этих схемах расширение импульса происходит за

335

счет действия паразитных емкостей, шунтирующих как выход усилителя, так и его вход.

6.3.3.Усилители – расширители импульсов

снакоплением заряда

Вусилителях с емкостным контуром выходной сигнал имеет форму треугольного импульса (см. рис. 6.24,б). Длительность его фронта практически определяется длительностью входного импульса. Если считать нарастание выходного импульса линейным,

то выходное напряжение увеличивается от 0,1Uвыхт до 0,9Uвыхт за время tфр = 0,8tи.вх.

При работе транзистора в области насыщения, как известно, длительность выходного импульса увеличивается нa время, необходимое для рассасывания избыточных носителей, которые накапливаются в базе непосредственно у коллекторного перехода. Этот эффект на практике используют для расширения кратковременных импульсов. При этом удается формировать импульсы стандартной амплитуды с плоской вершиной и со сравнительно крутым фронтом. Длительность плоской вершины выходного импульса зависит от времени рассасывания избыточных носителей и при соответствующем подборе параметров схемы может значительно превосходить длительность входного импульса. Можно несколько увеличить длительность выходного импульса, замедляя разряд емкости коллекторного перехода и емкости нагрузки, т.е. удлиняя срез выходного импульса.

В качестве насыщающегося усилителя-расширителя можно использовать схему на рис. 6.24,a, если соответствующим подбором параметров обеспечить работу транзистора в области насыщения при воздействии входного импульса.

Усилитель-расширитель обычно работает без запирающего смещения. В этом случае при запирании транзистора ослабляется действие входного сигнала и тем самым снижается уровень накопления.

336

Кроме того, ток источника смещения после воздействия импульса способствует быстрому рассасыванию избыточных носителей, что также нежелательно, так как сокращается длительность выходного импульса.

При подаче кратковременного импульса тока с амплитудой

Iбт	Iкн			Eк			1		1
								+
	β	N		β	N		R		R
							к		н

транзистор сравнительно быстро насыщается и потенциал его коллектора фиксируется на уровне Uкн (рис. 6.25). В схеме расширителя транзистор работает в режиме глубокого насыщения, поэтому фронт выходного импульса нарастает почти линейно и его длительность

Рис. 6.25. Эпюры, иллюстрирующие расширение входного импульса

из-за насыщения транзистора

Iкн

C0

tфр ≈ 0,8

τ

+ R

C

к

+

,

Iбт

TN

кн

βN

как правило, оказывается заметно меньше длительности входного импульса.

В течение воздействия входного импульса в базе накапливаются носители. Избыточный заряд неосновных носителей, накапливаемых в базе у коллекторного перехода, определяется выражением

t

Qкн(t) = ϑк(IбтβN − Iкн)(1−e−τн )

(время t отсчитывается с момента насыщения транзистора).

В момент окончания входного импульса избыточный заряд достигает величины

− tн

Qкн(tн) ϑк(IбтβN − Iкн)(1−e τн )

337

ϑк(IбтβN − Iкн)	tн	.
	τн

Последнее приближение справедливо для кратковременных импульсов с временем накопления tн ≤ 0,2τн. Продолжительность процесса накопления tн можно оценить по приближенной формуле

		Iкн							C0
	tн ≈ tи.вх –		τ + R			C	к	+		.
		Iбт		TN	кн
									βN

После выключения входного импульса избыточный заряд уменьшается, с одной стороны, из-за рекомбинации, а с другой – из-за тока Iкн через коллекторный переход. На стадии рассасывания, которая наступает после момента времени t2, заряд носителей у коллекторного перехода определяется выражением

		−	t′			−	t′
			τн				τн ) ,
Qкн(t′) = Q (t	н	)e		– ϑ I	кн	(1−e
кн				к

где время t′ отсчитывается от момента окончания входного импульса.

В момент времени t3 завершается рассасывание носителей, транзистор выходит из области насыщения и начинается формирование среза.

Продолжительность плоской вершины импульса tп определяется временем, в течение которого транзистор находится в области насыщения, т.е. tп = tн + tрас. Время накопления tн зависит от продолжительности входного импульса tи.вх и длительности фронта выходного импульса tфр, т.е.

tн = tи.вх – 1,25tфр.

Время же рассасывания tрас определяется из уравнения Qкн(tрас) = 0, из которого следует, что

Iбт

−

tн

τн

tрас ≈ τнln 1

+

βN

−1 1

−e

≈

I

кн

I

бт

tн

≈ τнln 1+

βN

−

1

.

I

τ

кн

н

338

Итак, длительность плоской вершины импульса

tп ≈ tи.вх – 1,25tфр + τнln	1	+ (K	нас	−1)	tн
					τн

растет с увеличением коэффициента насыщения

Kнас = βN	Iбт	.
	Iкн

При формировании среза импульса транзистор работает в активной области. Выходной сигнал спадает по экспоненте

			t	′′
	−							≈
Uвых(t″) = Uвыхт exp
		τэк
						t	′′
			−
≈ (Ек – Iк0Rк – Uкн) eхр
					τэк

(время t″ отсчитывается от момента выхода транзистора из области насыщения t3).

Таким образом, продолжительность выходного импульса дополнительно увеличивается из-за удлинения среза импульса и достигает величины

tи = tп + аτэк

(а = 1 на уровне 1 Нп, а = 3 на уровне 0,05 Uвыхт).

6.3.4. Усилители-расширители на интегральных логических элементах

В современных устройствах в качестве усилителя-расширителя часто используют интегральные логические элементы. На рис. 6.26,а показана схема расширителя импульсов на интегральной микросхеме, представляющей собой логический элемент с насыщающимся инвертором на выходе. В этой схеме расширение импульсов достигается за счет накопления заряда на емкости коллекторного перехода инвертора Ск и паразитной емкости С0, шунтирующей выход схемы. Для расширения импульсов используется также эффект накопления носителей в транзисторном инверторе при его насыщении.

339

Рис. 6.26. Схема расширителя импульсов на ИМС элемента ТТЛ (а)

иэпюры напряжений на входе и выходе элемента ТТЛ (б)

Вэтой схеме в качестве насыщающегося усилителя-рас- ширителя используется инвертор логического элемента. При этом,

чтобы увеличить время рассасывания tрас, неиспользуемые входы логического элемента оставляют разомкнутыми. Следует также избегать включения запирающего смещения к входу инвертора. При запирании инвертора ослабляется действие входного сигнала и тем самым уменьшается уровень насыщения. Кроме того, ток запирающего источника смещения после воздействия входного импульса способствует быстрому рассасыванию избыточных носителей, что также приводит к сокращению длительности выходного импульса.

Продолжительность плоской вершины импульса tп определяется временем, в течение которого инвертор находится в насыщении,

т.е. tп ≈ tн + tрас.

Время накопления носителей в базе tн зависит от длительности входного импульса tи.вх. Время рассасывания tрас рассчитывается по формуле

tрас ≈ τнln	1	+(K	нас	−1)	tн	.
					τн

При формировании среза выходного импульса инвертор работает в активной области, поэтому выходное напряжение нарастает с постоянной времени

340