Получение сигналов прямоугольной формы

Л. – Правильно. Ты очень хорошо нарисовал выходной сигнал – фронты сигнала не отвесные (отвесными они могут быть только в том случае, если амплитуда U_вх очень велика по сравнению с U ). Поэтому, когда требуются сигналы более приближающиеся к прямоугольной форме (как показано на рис. 57), часто приходится вновь усиливать и затем еще раз ограничивать сигнал, полученный после первого ограничения. В результате получается колебание, по своей форме близкое к прямоугольным сигналам.

 

 

Рис. 57. Ограниченная синусоида (рис. 56, б ) усиливается (а ), а затем вновь подвергается ограничению (б ).

 

Н. – Мне в голову пришла гениальная идея! Если сигнал нужно усиливать и ограничивать, то нельзя ли обе операции выполнить одновременно? Я вспоминаю, что перегруженный усилитель имеет тенденцию срезать верхушки сигналов.

Л. – Совершенно верно. Именно так часто осуществляют ограничение сигналов. Очень хорошо справляется с такой задачей усилитель, схему которого я для тебя нарисовал на рис. 58.

 

 

Рис. 58.  Усилитель‑ограничитель на двух транзисторах с эмиттерной связью: когда напряжение на входе положительное, запирается транзистор Т₂ , когда отрицательное – запирается транзистор Т₁ .

 

 

Н. – Почему ты поставил транзисторы n‑р‑n ?

Л. – Потому что легче рассуждать, когда имеешь дело с положительными напряжениями. Кроме того, эту схему без изменений можно сделать на лампах (замену номиналов резисторов вряд ли следует считать изменением схемы). И, наконец, по той причине, что все шире используемые кремниевые транзисторы на 80 % относятся к типу n‑р‑n . Итак, перейдем к анализу схемы. Когда U_вх становится положительным, ток проводит транзистор T₁ , потенциалы эмиттеров повышаются и транзистор Т₂ запирается. Когда U_вx становится отрицательным, ток проводит транзистор Т₂ , потенциалы эмиттеров становятся близкими к нулю и запирается транзистор T₁ . Я подал на общий для эмиттеров резистор R₃ отрицательный потенциал, чтобы по R₃ протекал определенный ток даже в том случае, когда потенциал эмиттеров близок к потенциалу корпуса. На рис. 59 я вычертил кривую зависимости потенциала коллектора транзистора Т₂ (U_K2 ) от потенциала базы транзистора T₁ (U_b1 ).

 

 

Рис. 59. Кривая изменения напряжения на коллекторе транзистора Т₂ в схеме на рис. 58 в зависимости от напряжения U _b1 характеризует эффективность ограничения.

 

Н. – Да, я вижу. Когда напряжение U_вх положительно, транзистор Т₂ заперт, а потенциал его коллектора U_K2 равен +Е . Но как найти величину его потенциала (U_K2 )_мин , когда U_вх имеет отрицательный знак, иначе говоря, когда транзистор T ₁ заперт?

Л. – Элементарно просто, дорогой доктор Уотсон…. прости…. Незнайкин! Если транзистор Т₂ пропускает ток, то можно считать потенциал его базы равным потенциалу его эмиттера; следовательно, мы можем считать, что потенциал эмиттера транзистора Т₂ равен нулю (равен потенциалу корпуса). Ток в резисторе R₃ равен U /R₃ и таким же будет ток коллектора (всегда следует предполагать, что в нормально работающем транзисторе токи коллектора и эмиттера равны). Значит, падение напряжения на R₂ будет

а минимальный потенциал коллектора Т₂ :

 

 

Н. – А какую роль играет резистор R₁ ?

Л. – Он делает схему симметричной. Обычно сопротивление этого резистора равно сопротивлению резистора R₂ . Можно также использовать напряжение коллектора Т₁ , в качестве выходного напряжения, но это нецелесообразно, потому что одна площадка графика зависимости потенциала коллектора Т₁ (U_K1 ) от потенциала базы Т₁ (U_Б1 ) (рис. 60) не горизонтальна. В самом деле, когда U_вх имеет положительный знак, его изменения сказываются на величине тока Т₁ .

 

 

Рис. 60.  При использовании напряжения коллектора транзистора T₁ , в качестве выходного напряжения схема хуже осуществляет ограничение сигналов, так как при положительном напряжении U_вх транзистор T₁  остается незапертым.

 

Как ты видишь, когда в этой схеме U_вх имеет отрицательный знак, Т₁ заперт и U_вх не влияет ни на U_K1 , ни на U_K2 . Когда U_вх имеет положительный знак, величина U_вх влияет на величину U_K1 транзистора Т₁ ,но не влияет на U_K2 , так как Т₂ заперт.

Н. – В принципе эта схема не так уж симметрична, а затем я обнаружил у нее один недостаток: переход выходного напряжения с +U _{K2 мин} до +Е происходит не так быстро, особенно в тех случаях, когда входное напряжение имеет умеренную величину (что довольно разумно для напряжения базы транзистора). А как называется твоя схема?

 

 

Л. – Название довольно странное: LTP – это сокращенный вариант английского выражения Long Tailed Pair (пара с длинным хвостом), отражающего наглядное представление пары транзисторов с длинным хвостом в виде большого резистора. Твое же замечание относительно скорости перехода напряжения от +U _{K2 мин} до +Е совершенно справедливо. Иногда это явление мешает, но скоро мы увидим, как это препятствие можно устранить.

 

 

 

Использование второй базы

Н. – Еще одно не нравится мне в твоей схеме: база Т ₂ исключительно глупо замкнута на корпус; она могла бы вести себя значительно умнее, если бы ее потенциал изменялся в обратном направлении по сравнению с потенциалом эмиттеров.

Л. – Твоя реплика вынуждает меня немедленно выложить тебе все подробности. В схеме имеется именно такой электрод, потенциал которого изменяется в обратном направлении по сравнению с потенциалом эмиттеров – взгляни на рис. 60.

Н. – Туннельный диод меня побери! Об этом‑то я и не подумал. Теперь достаточно соединить коллектор Т₁ с базой Т ₂ и будет чудесно!

Л. – Не спеши! Идея правильная, но прямо осуществить ее нельзя; коллектор Т₁ должен иметь положительный потенциал относительно эмиттеров и более высокий положительный потенциал относительно баз. Это можно сделать, как в схемах с прямой связью, о которых мы уже говорили, т. е. с помощью делителя, понижающего потенциал. В результате мы получим схему, изображенную на рис. 61.

 

 

Рис. 61.  Дополнив схему на рис. 58 делителем напряжения R₄ , R₅ , соединяющим коллектор транзистора Т₁ с базой транзистора Т₂ , превращаем ее в триггер Шмитта .

 

Новая схема, как и схема на рис. 58, работает с током в обоих транзисторах или при напряжениях U_вх , очень близких к нулю, и ведет себя как усилитель. Соединив коллектор Т₁ и базу Т₂ цепочкой из резисторов R₄ – R₅ , мы вводим в схему положительную обратную связь. Небольшая обратная связь увеличивает усиление, а следовательно, увеличивает крутизну возрастающей части кривой на рис. 59. Если же положительная обратная связь становится слишком большой…

Н. – Знаю, устройство начинает генерировать.

Л. – Да, но здесь нет ни колебательного контура, ни переменной связи с помощью конденсатора. Поэтому произойдет опрокидывание. Такого состояния, когда оба транзистора дают ток, быть не может – один из транзисторов должен быть заперт.

Н. – И какой из двух станет жертвой?

Л. – Это зависит от величины U_вх . Предположим для начала, что U_вх имеет отрицательный знак; разумеется, что в этом случае запертым окажется Т₁ . При увеличении напряжения U_вх до некоторой величины А транзистор Т₁ открывается, а Т₂ запирается. На этот раз очень приятно, что отпирание Т₂ происходит очень быстро и совершенно независимо от скорости, с какой напряжение U_вх проходит величину А , именуемую порогом.

Н. – Чудесно! Значит я могу повышать напряжение U_вх на 1 в в сутки, но когда напряжение пройдет величину А , опрокидывание схемы все равно произойдет быстро?

Л. – Конечно. Здесь имеется определенная аналогия с реле: можно медленно увеличивать ток в катушке и, когда ток достигнет нужного значения, реле сработает. В реле тоже действует положительная обратная связь: как только язычок реле начинает двигаться, воздушный зазор уменьшается и это усиливает магнитное притяжение.

Н. – А если я также медленно начну снижать напряжение U_вх , то когда оно вновь пройдет величину А , схема также резко опрокинется обратно?

 

 

 

Второй порог

Л. – Схема действительно резко опрокинется обратно, но это произойдет не при прохождении величины А , а при прохождении величины В меньшей, чем А . При первом опрокидывании схемы на коллекторе транзистора Т₁ высокий потенциал на базе Т₂ , следовательно, тоже относительно высокий (это же относится к потенциалу эмиттеров). Поэтому для отпирания транзистора Т₁ напряжение U_вх должно подняться довольно высоко.

В отличие от этого при втором опрокидывании, соответствующем снижению потенциала базы транзистора Т_{1 ,} ток проходит через транзистор Т₁ . Потенциал на его коллекторе низкий, потенциал базы Т₂ тоже; это же относится и к эмиттерам. В этих условиях транзистор Т₂ окажется вновь запертым только при более низком напряжении U_вх , а именно, когда оно достигнет величины В . Все происходит точно так, как в реле: когда язычок реле замкнул контакт, можно снизить ток в катушке значительно ниже уровня тока, потребовавшегося для срабатывания реле.

 

 

Н. – А что произойдет в твоей странной схеме, если напряжение U_вх будет держаться в пределах между А и В ?

Л. – Моя странная схема называется триггером Шмитта. А если ты будешь удерживать значение напряжения U_вх между А и В , я не смогу сказать, в каком состоянии будет триггер. В этих условиях транзистор Т₁ может оказаться запертым, если напряжение U_вх достигло своего значения, поднимаясь с величины, меньшей В ; но транзистор Т₁ может оказаться и открытым, если напряжение U_вх подошло к данному значению, уменьшаясь относительно величины, большей А. Все происходит, как в реле; если значение тока в катушке находится между током срабатывания реле I_с и его током отпускания I_о , я не могу определенно сказать, замкнут язычок реле или нет. Впрочем, если язычок не замкнут, нажми на якорь и язычок останется притянутым, а если он замкнут, оттяни якорь и язычок сохранит воздушный зазор.

Н. – Я не понимаю, зачем нужна твоя схема?

Л. – Схема интересна тем, что она не может находиться в промежуточном состоянии. У нее имеется два возможных устойчивых состояния и из‑за этого свойства ее называют «бистабильной».

Н. – Но тогда для нее невозможно начертить кривую, показанную на рис. 59.

 

 

Гистерезисная характеристика

Л. – Ты ошибаешься – возможно, но немного сложнее. Для тебя я начертил такую кривую на рис. 62. Но это уже не простая кривая, а «петля». Если напряжение U_вх меньше В , все ясно – выходное напряжение равно U_{к2 мин} . Начнем повышать напряжение (следи за стрелкой на рис. 62): при прохождении U_вх значения А схема опрокидывается и выходное напряжение U_K2 «подскакивает» от (U_к2)_мин до величины +Е (здесь поднимающаяся ветвь строго вертикальна). Дальнейшее повышение напряжения U_вх никак не сказывается на выходном напряжении U_к2 – оно остается на уровне +Е . Начнем теперь снижать напряжение U_{вх ;} при прохождении А ничего не происходит (продолжай следить за соответствующей стрелкой на рис. 62), когда же напряжение U_вх станет меньше В , схема вновь опрокинется.

 

 

Рис. 62.  Кривая, характеризующая изменение напряжения коллектора транзистора Т₂ триггера Шмитта в зависимости от напряжения U_вх , свидетельствует о существовании явления, аналогичного гистерезису. Это уже не простая кривая, а петля.

 

Н. – Твоя кривая мне что‑то напоминает… совершенно верно, она идентична петле гистерезиса ферритов, которые используются в запоминающих устройствах цифровых электронных вычислительных машин.

 

 

Л. – Оооохх!!!

Н. – Прошу тебя, не падай в обморок. Откровенно говоря, я недавно попытался прочитать популярную статью на эту тему и теперь имею некоторое представление о значении этих выражений.

 

 

Л. – Теперь мне лучше. Позднее я объясню тебе это несколько подробнее, но твое замечание было так верно, что у меня вдыхание перехватило.

Н. – А теперь, прежде чем идти дальше, я попросил бы тебя рассказать, как используется триггер Шмитта и при каких обстоятельствах прибегают к амплитудным ограничителям.

 

 

Применение триггера Шмитта

Л. – Сейчас я приведу один пример из практики. Видел ли ты на выставках системы с фотоэлементом, считающие посетителей?

Н. – Видел. В проходе установлен фонарь, посылающий луч света на небольшую коробочку, в которой должно быть находится фотоэлемент. При входе посетитель прерывает луч света.

Л. – Правильно. В такой установке при отсутствии посетителей никогда нельзя знать интенсивность попадающего на фотоэлемент света, так как световой поток от лампы может изменяться (немного со временем и значительно больше от колебаний напряжения сети). А когда посетитель перекрывает собой луч света, остаточный свет также не достаточно известен (на фотоэлемент всегда попадает сбоку некоторое количество света от других источников).

Н. – И особенно, если посетитель немного прозрачен!

Л. – Установка не рассчитана для подсчета полупризраков. Во всяком случае, как ты видишь, поступающий в фотоэлемент сигнал точно неизвестен. Поэтому представляется целесообразным установить на выходе фотоэлемента триггер Шмитта; благодаря ему мы получим совершенно определенный выходной сигнал «все или ничего». Кроме того, сигнал будет иметь крутые фронт и спад, что очень важно, если мы захотим превратить сигналы в короткие импульсы, которые я тебе скоро покажу. При необходимости лишь «подрезать» сигналы сверху, можно ограничиться схемой LTP с рис. 58 или даже простым транзисторным усилителем с очень сильной перегрузкой. Как ты видишь, на рис. 63 нагрузочная прямая пересекает характеристику при I_{б. э} = 0 в точке А и характеристику при I_{б. э} = 100 мка, например, в точке В . В точке А транзистор почти заперт (проходит лишь ток утечки), а в точке В транзистор находится в состоянии насыщения; он может пропустить значительный ток коллектора при разности потенциалов коллектор – эмиттер 0,1 в или даже меньше. Если мы сделаем так, что в усилителе выходной транзистор будет возбуждаться током базы, то снижающимся до нуля (и возможно даже изменяющим направление), то значительно превышающим 100 мка, выходное напряжение будет очень хорошо ограничено сверху и его размах (или удвоенная амплитуда выходного напряжения) будет практически равен напряжению £ питания последнего каскада.

 

 

Рис. 63. Про транзистор, на который напряжение питания Е подается через резистор R , говорят, что он находится в состоянии насыщения (точка В ), если на его базу поступает достаточный ток. Он может также быть запертым или почти запертым (точка А ).

 

 

Н. – Просто чудесно, пропускать значительный ток при напряжении 0,1 в! О достижении такого результата на лампах и речи быть не могло!

 

 

Пентод против транзистора?

Л. – Пентод позволяет получить близкий к этому результат, так как анодный ток имеет большое значение даже при очень низком потенциале анода (потенциал анода может быть существенно ниже потенциала экранирующей сетки). Потенциал, понятно, не может опуститься до 0,1 в, но не следует забывать, что в жизни все относительно: рабочие напряжения у пентода значительно выше, чем у транзистора, и снижение анодного напряжения до 5 б при напряжении питания 300 в дает такое же соотношение, как и 0,1 в при напряжении питания 6 в. Само собой разумеется, что при использовании триодов получить такое ограничение сигнала немыслимо.

Н. – Но тем не менее в семействе характеристик триодов имеется характеристика, снятая при напряжении смещения, равном нулю, – она соответствует максимально возможному анодному току. Разумеется, это не позволит нам снизить почти до нуля анодное напряжение, но ограничение сигналов будет иметь место.

Л. – Нет, Незнайкин, нулевому смещению соответствует совсем не максимальный ток. Например, ток увеличится, если сетку сделать положительной. Конечно, такой способ не очень‑то рекомендуется, но все же применяется (в частности, в пушпульном каскаде, работающем в режиме АВ₂ ). Некоторые специалисты говорили об ограничении сверху сеточного напряжения с помощью сеточного тока, если последовательно сетке включить резистор. Такое устройство напоминает изображенную на рис. 54 схему амплитудного ограничителя, если бы в ней поменяли полярность диода. Но это плохой способ.

Само собой разумеется, что ни один из этих способов ограничения сигналов сверху не позволяет получить такие крутые фронт и спад сигнала, как с помощью триггера Шмитта.

 

 

 

---

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 219; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!