ЛИНЕЙНЫЕ ФОРМИРУЮЩИЕ ЦЕПИ (ЛФЦ)

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 12Следующая ⇒

К ЛФЦ относятся:

- дифференцирующие цепи (ДЦ);

- интегрирующие цепи (ИЦ);

- форсирующие цепи (ФЦ);

К ЛФЦ можно отнести и резисторно-емкостные цепи связи между каскадами (см. лаб. работу).

Дифференцирующие цепи (ДЦ)

а) Идеальная ДЦ выполняет преобразование входного сигнала U_вх(t) в выходной U_вых(t) по закону

, (3.1)

где К – некоторая константа от времени не зависящая.

ДЦ

U_вх(t)

U_вых(t)

Рисунок 3.1 – Идеальная ДЦ

Пусть на входе – идеальный прямоугольный импульс

, (3.2)

где − амплитуда;

− длительность импульса.

Подставим (3.2) в (3.1) и получим

где − δ-функция, существующая при .

Рисунок 3.2 Дифференцирование идеального прямоугольного импульса

Аналогично, если на входе – идеальный трапецевидный импульс - рис.3.3.

Рисунок 3.3 − Дифференцирование трапецевидного импульса

Вопрос: Чему равна амплитуда импульса на выходе?

Ответить самостоятельно.

б) Реальная ДЦ (RC-цепь)

Рисунок 3.4− Реальная ДЦ

Пусть на входе идеальный прямоугольный импульс с амплитудой при , конденсатор был не заряжен, т.е. (рис.3.5).

По второму закону Кирхгофа для любого момента времени будем иметь:

или .

Тогда при условии, что , получим что а но , тогда .

На рис.3.5 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие эти процессы.

Для того чтоб выполнялось условие , необходимо, чтобы выполнялось неравенство

(3.3)

Отметим, что чем сильнее выполняется неравенство(3.3), тем форма импульса на выходе ближе к δ-функциям, которые должны быть в результате идеального дифференцирования.

Рисунок 3.5 – Временные диаграммы работы ДЦ

Интегрирующие цепи (ИЦ)

а) Идеальная ИЦ (идеальный интегратор) должна выполнять преобразование входного сигнала в выходной по закону

, (3.4)

где К – некоторая константа от времени независящая.

ИЦ

U_вх(t)

U_вых(t)

Рисунок 3.6 – Идеальная ИЦ

Пусть на выходе идеальный прямоугольный импульс (рис.3.7) с амплитудой Е вида (1.10), тогда с учетом (3.2) получим

причем .

Рисунок 3.7 – Временная диаграмма идеального интегратора

Отметим, что идеальный интегратор можно рассматривать, как генератор линейно изменяющегося напряжения (ЛИН).

б) Реальная ИЦ (RC-цепь) - схема на рис.3.8; временные диаграммы - на рис.3.9.

Рисунок 3.8 – Реальная ИЦ.

Пусть , т.е. в исходном состоянии конденсатор не заряжен. По второму закону Кирхгофа , значит . При выполнении неравенства получим и тогда значение тока і будет определяться только сопротивлением резистора R, т.е. .

В соответствии с (1.2) напряжение на ёмкости:

(3.5)

Для того чтобы выполнялось условие необходимо

(3.6)

Это условие точного интегрирования.

в) Особенности ИЦ

Отметим три обстоятельства:

1.Чтобы выполнить условие , необходимо чтобы период

следования импульсов на входе , т.е. чтобы конденсатор успел разрядиться к моменту начала следующего импульса - рис.3.9.

Рисунок 3.9 – Временные диаграммы для ИЦ

2. Если не выполняется условие (1.18) т.е. , то влияние ИЦ сводится к явлению затягивания фронта и среза импульса на выходе, т.е. импульс на выходе расширяется (рис.3.10).

Рисунок 3.10 –Временные диаграммы

Это явление необходимо учитывать, если в качестве конденсатора ИЦ выступает паразитная входная ёмкость следующего каскада.

3. Если в цепь заряда (разряда) конденсатора ввести стабилизатор тока (СТ), то этот ток , то напряжение в соответствии с (1.2) будет , т.е. это будет ЛИН - рис.3.11.

По этому принципу строят все ГЛИН с времязадающей RC – цепью.

Рисунок 3.11 – Включение стабилизатора тока

Цепи связи между каскадами

При построении многокаскадных устройств часто необходимо обеспечить развязку по постоянному току (постоянному напряжению) между соседними каскадами. С этой целью между ними чаще всего включают разделительный конденсатор с ёмкостью С_р − рис 3.12.

Тогда этот конденсатор вместе со входным сопротивлением R_вх і+1-го каскада образует разделительную RC-цепь или цепь связи, схема которой

Рисунок 3.12 – Схема включения разделительного конденсатора

соответствует схеме ДЦ, но задача совсем другая. ДЦ должна обеспечить преобразование типа (3.1), а задача ЦС – передать сигнал без искажения его формы. Для решения этой задачи необходимо выбрать так, чтобы при заданном (или рассчитанном) R_вх выполнялось неравенство

(3.7)

Временные диаграммы на рис.1.13 демонстрируют это свойство.

Иногда с целью развязки применяют трансформаторную связь - рис.3.14.

Рисунок 3.13 – Диаграммы временные для ЦС при разных значениях τ

w₁, w₂ – число витков обмоток 1 и 2

Рисунок 3.14 – ЦС трансформаторного типа

Форсирующие цепи (ФЦ)

В схемотехнике (особенно цифровой) часто используется

непосредственная связь между каскадами. Но обычно в 3…10 раз в

статическом режиме превышает , поэтому для ограничения I_{вх i+1}

каскада включают ограничивающий резистор с сопротивлением R_ог. Таким образом получаем резистивную связь (рис.3.15).

Рисунок 3.15 – Резистивная связь между каскадами

Но для быстрого переключения i+1 каскада из одного состояния в другое необходимо на интервале переходного процесса обеспечить «мощный» импульс тока, т.е. на время прохождения фронта (или среза) как бы «обойти» резистор R_ог, который ограничивает величину этого импульса. С этой целью включают форсирующий конденсатор С (рис.3.16).

Рисунок 3.16 – Включение форсирующего конденсатора

Во время прохождения «броска» напряжения , ёмкость С как-бы «закорачивает» сопротивление резистора R_ог, а в статическом режиме ёмкость С не влияет на работу (режим) цепи связи.

Вопросы для самопроверки

1. Какие функции в цепях выполняет ДЦ ?

2. Как преобразует форму сигнала идеальная ДЦ ?

3. Какие функции в цепях выполняет ИЦ ?

4. Как преобразует форму сигнала идеальная ИЦ ?

5. Какой электронной цепью реализовать реальную ДЦ ?

6. За счет каких процессов в реальной ДЦ выполняется дифференцирование сигнала ?

7. Какой электронной цепью реализовать реальную ИЦ ?

8. За счет каких процессов в реальной ИЦ выполняется интегрирование сигнала ?

9. Каковы особенности интегрирующих цепей в реальных схемах ?

10. Какие задачи в электронных цепях выполняют цепи связи между каскадами ?

11. Как выбрать параметры RC-цепи связи между каскадами для минимизации искажений передаваемых импульсов ?

12. Какие задачи віполняют форсирующие цепи между каскадами ?

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

ПП приборы, применяемые в электронике делятся на следующие группы:

1. ПП резисторы;

2. ПП диоды ;

3. Биполярные транзисторы;

4. Униполярные (полевые) транзисторы;

5. Силовые ПП приборы (динисторы,тиристоры, симисторы и пр.)

ПП резисторы

ПП резисторы имеют два выходных электрода. Они делятся на линейные и нелинейные.

У линейных ПП резисторов удельное электрическое сопротивление не зависит от приложенного напряжения. Их условное графическое обозначение приведено на рис. 4.1.

Рисунок 4.1 – Линейный ПП резистор.

Эти элементы изготовляются на основе ПП материалов р- или n-типа и используются в ИС.

Нелинейные резисторы (варисторы) − это такие ПП резисторы у которых удельное сопротивление зависит от приложенного напряжения – рис.4.2.

Рисунок 4.2 – Нелинейный ПП резистор (варистор).

Варисторы характеризуются ВАХ − ; ВАХ варистора симметрична (рис. 4.3).

Существуют ПП резисторы, у которых сопротивление резко зависит от температуры. Это терморезисторы (рис.4.4).

Они подразделяются на термисторы, у которых R↓ при ↑t° и позисторы, у которых R↑ при ↑t°. Позисторы изготовляют на основе сегнетоэлектриков.

Термисторы и позисторы используются как датчики температуры.

Фоторезисторы (условное графическое изображение – рис.4.5)

У фоторезисторов сопротивление зависит от степени освещенности и их используют в устройствах автоматики.

Рисунок 4.3 – ВАХ варистора.

Рисунок 4.4 – Обозначение термистора.

Рисунок 4.5 – Обозначение фоторезистора.

ПП диоды

ПП диоды – это ПП приборы, изготовленные на основе двухслойных ПП структур (рис.4.6) и использующие свойства р-n перехода. Слой р-типа − анод, слой n-типа – катод.

Рисунок 4.6 – Структура р-n перехода.

Наиболее распространены разновидности ПП диодов, перчисленные в табл.4.1

Общее буквенное обозначение − VD. Для большинства ПП диодов основной характеристикой является ВАХ – это зависимость .

Таблица 4.1 - Разновидности ПП диодов

№ П№	Тип диода	Условное обозначение
11	Выпрямительный
22	Диод Шоттки
33	Стабилитрон
44	Стабистор
55	Туннельный диод
66	ВЧ детекторы
77	Импульсные
88	Диоды Ганна
99	P-i-n диоды
110	Фотодиоды
111	Светодиоды
112	Варикапы

Выпрямительные диоды

а) Принцип действия

Их действие основано на использовании вентильных свойств Р-n-перехода. Вентильные свойства р-n перехода удобно продемонстрировать на гидравлической модели (рис.4.7а).

Она представляет собой гидравлический пружинный клапан (вентиль), который имеет свойство одностороннего пропускания потока жидкости в зависимости от направления давления (в диоде напряжение – это давление, а ток − поток жидкости). Схема простейшего выпрямителя приведена на рис. 4.7б, где .

I_пр

I_обр

+ U_н −

R_н

U_~

+ U_пр −

− U_обр +

а) б)

Рисунок 4.7 − К рассмотрению простейшего выпрямителя

Здесь диод является автоматическим ключом, состояние которого (открыто или закрыто) определяется полярностью приложенного напряжения.

б) ВАХ выпрямительного диода. Параметры

ВАХ приведена на рис. 4.8

Рисунок 4.8 – ВАХ выпрямительного диода.

Параметры ПП диода.

І_пр − предельное действующее значение среднего прямого тока(0,1….3200)А;

І_{пр max} – максимально допустимый прямой импульсный ток. Обычно І_{пр max}= (10…50)І_пр.

U_пр – прямое падение напряжения на диоде при прохождении через него тока І_пр.

U_{обр mах} – максимально допустимое обратное напряжение, для диодов U_{обр mах}= (50….10000)В.

− дифференциальное сопротивление в прямом направлении;

− паразитная ёмкость диода.

С_бар – барьерная ёмкость (учитывается при U_обр),

С_диф – диффузионная ёмкость (учитывается при U_пр).

в) Переходные процессы при переключении ПП диодного ключа

Схема испытания – однополупериодный выпрямитель с резистивной нагрузкой R_н, питаемый от идеального источника напряжения импульсной прямоугольной формы - рис.4.9.

1. Процесс включения. Временные диаграммы приведены на рис.4.10.

U_c