Параметры импульсных сигналов

 

 

В импульсной технике применяют импульсы различной формы. Распространены импульсы, близкие по форме к прямоугольной, пилообразной и экспоненциальной (рис. 7.1, а – в), а также импульсы типа «меандр» (рис. 7.1, г).

Импульсный сигнал характеризуется рядом параметров. Основные параметры импульса прямоугольной формы показаны на рис. 7.1, д.

Характерными участками импульса являются фронт, длительность t_ф которого определяется от момента времени, когда сигнал достигает уровня 0,1 максимального значения (амплитуды) U_m до момента времени, когда сигнал достигает значения 0,9U_m, срез (задний фронт), длительность t_с которого отсчитывается от уровня 0,9U_m до уровня 0,1U_m и вершина (плоская часть), длительность которой определяется промежутком времени когда сигнал изменяется в диапазоне

DU = U_m -  0,9U_m.

Длительность импульса t_и определяется на уровне 0,5U_m. Длительности t_ф и t_с обычно составляют доли процента от t_и. Чем меньше t_ф и t_с по сравнении с t_и, тем меньше отличие сигнала от идеального импульса прямоугольной формы.

Параметрами последовательности импульсов (см. рис. 7.1, а) являются период повторения (частота повторения), длительность импульса, длительность паузы, коэффициент заполнения и скважность.

Периодом повторения импульсов Т называют интервал времени между одинаковыми точками двух соседних импульсов (например, между началами импульсов). Величину, обратную периоду повторения импульсов, называют частотой повторения импульсов:

f = 1/T.

Длительностью паузы t_п называют интервал времени между окончанием одного и началом следующего импульса: t_п = Т – t_и.

Коэффициент заполнения импульсов g характеризуется отношением длительности импульса к периоду следования импульсов: g = t_и/Т.

Величину, обратную коэффициенту заполнения, называют скважностью импульсов: q = T/t_и = 1/g.

Ключевой режим работы биполярных транзисторов

 

 

Отличительной особенностью импульсных схем является широкое применение в нихэлектронных ключей. Через идеальный разомкнутый ключ ток не протекает. Напряжение на идеальном замкнутом ключе равно нулю.

Наибольшее применение находят транзисторные каскады, в которых транзистор работает в ключевом режиме. Транзистор в каскаде может быть включен по схеме ОБ, ОЭ и ОК. Наибольшее распространение получила схема ОЭ.

Схема транзисторного ключа на транзисторе типа n-p-n, включенном по схеме ОЭ, показана на рис. 7.2, а. Транзистор VT в схеме выполняет функцию ключа в последовательной цепи с резистором R_к и источником питания Е_к. Управление ключем осуществляют по входной (базовой) цепи транзистора от источника входного напряжения U_вх через резистор R_б, преобразующий входное напряжение во входной ток I_б.

 

 

Статические характеристики транзисторного ключа

Процессы в схеме проанализируем графоаналитическим методом, основанном на построении линии нагрузки по постоянному току в осях I_к – U_кэ, совмещенной с выходными характеристиками транзистора (рис. 85, б), с учетом входной характеристики (рис. 7.2, в). Линия нагрузки описывается уравнением U_кэ= Е_к - I_кR_к и проводится так же, как и для усилительного каскада. Точки пересечения линии нагрузки с вольтамперными характеристиками транзистора определяют напряжения на элементах и ток в последовательной цепи.

В ключевом режиме транзистор может находиться в двух основных состояниях.

1. Режим запирания (режим отсечки) «ключ разомкнут». Это состояние соответствует точке М_отс на рис. 7.2, а. Ток коллектора минимальный, равный обратному току I_ко обратно смещенного перехода коллектор-база, а напряжение коллектор-эмиттер U_кэ максимально близко к напряжению питания U_кэ= Е_к - I_коR_к в виду малости I_ко.

Режим отсечки создается путем подачи на вход ключа напряжения U_вх запирающей полярности (в данном случае полярность показана на рис. 7.2, а без скобок). Под действием этого напряжения эмиттерный переход транзистора запирается (U_бэ< 0) и ток эмиттера становится равным нулю I_э= 0. Однако через резистор R_б протекает обратный ток коллекторного перехода I_ко, замыкаясь по цепи: +Е_к, R_к, переход коллектор-база, R_б, источник входного сигнала U_вх, -Е_к. На входной характеристике (рис. 7.2, в) видно, что в этом случае ток базы становится отрицательным и равным I_ко.

Ток I_ко зависит от типа выбранного транзистора, поэтому одним из критериев выбора транзистора для ключевой схемы является малое значение I_ко.

Величину запирающего входного напряжения U_{вх зап} выбирают, исходя из того, чтобы выполнялось условие

U_бэ = U_{вх зап} - I_коR_б .                           (7.1)

Напряжение U_бэ для германиевых транзисторов составляет 0,5 – 2 В, для кремниевых – 2 – 5 В.

Иногда закрытое состояние транзистора создается без источника запирающего напряжения. В этом случае U_вх= 0 и ток базы I_б= 0. Такому состоянию транзистора соответствует точка М_З на рис. 7.2, б. Величина тока, протекающего по транзистору и нагрузке R_к в этом случае возрастает и зависит от величины сопротивления резистора R_б, а также от типа транзистора и температуры.

Причина возрастания тока состоит в том, что тепловой ток транзистора, включенного по схеме ОЭ равен I_ко^* = (b+1) I_ко, где b - коэффициент усиления транзистора. Однако I_ко^* - это сквозной ток транзистора при отсутствии резистора между эмиттером и базой. При включении такого резистора (в данном случае R_б) тепловой ток значительно снижается.

Мощность, рассеиваемая на транзисторе в статическом режиме (мощность потерь) в состоянии отсечки Р_отс равна

Р_отс = I_коЕ_к.

При умеренных температурах и невысоких напряжениях Р_отс мала и в расчетах может не учитываться.

2. Режим открытого состояния «ключ замкнут» создается изменением полярности входного напряжения U_вх > 0 (полярность указана в скобках на рис. 7.2, а) и заданием соответствующего тока базы I_б транзистора.

Необходимый ток базы, соответствующий открытому состоянию транзистора, найдем, постепенно увеличивая ток базы от нуля до тех пор, пока сохраняется известная пропорциональная зависимость между I_б и I_к (режим усиления)

I_к = bI_б + (b+1)I_ко » bI_б.                             (7.2)

При этом рабочая точка транзистора будет перемещаться вверх по линии нагрузки из положения М_З до положения М_о, соответствующего «полному» открытию транзистора, а ток базы будет равен граничному току I_б = I_б3 = I_{б гр} (рис. 7.2, б). Через транзистор и резистор R_к будет протекать ток

I_к = (Е_к - DU_{кэ откр})/R_к,                             (7.3)

где DU_{кэ откр} – остаточное напряжение на транзисторе в открытом состоянии.

Остаточное напряжение на транзисторе в схеме ключа должно быть минимальным. В зависимости от типа транзистора и уровня тока DU_{кэ откр} лежит в пределах 0,1 – 1,5 В. Вследствие относительно малого остаточного напряжения по сравнению с Е_к расчет тока открытого транзистора производят по формуле

I_к = Е_к/R_к.                                  (7.4)

С учетом (7.2) граничное значение тока базы I_{б гр} открытого транзистора равно

I_{б гр} = I_к/B = Е_к/(BR_к),                               (7.5)

где B - статический коэффициент усиления транзистора для большого сигнала (при большом токе и малом напряжении B < b).

Мощность, рассеиваемая на транзисторе в статическом режиме (мощность потерь) в открытом состоянии Р_о равна

Р_о = I_к DU_{кэ откр}.

Для уменьшения напряжения на открытом ключе применяют насыщенный режим работы, получаемый увеличением тока базы по сравнению с граничным

I_{б нас} = sI_{б гр},                                       (7.6)

где s – коэффициент насыщения, выбираемый в пределах 1,3 – 3.

На рис. 7.2, б, в ток базы насыщения I_{б нас} = I_б4. При этом рабочая точка транзистора переместилась в точку М_нас, а напряжение на открытом транзисторе уменьшилось до величины DU_{кэ нас}.

Представляют интерес потенциалы электродов транзистора, по которым можно судить, в каком режиме находится транзистор.

В режиме отсечки U_кэ » Е_к > 0, U_бэ < 0, поэтому U_кб = U_кэ – U_бэ = Е_к – U_бэ > 0 (см. рис. 7.2, б, в).

В активном режиме (между точками М_З и М_о) DU_{кэ откр} < U_кэ < Е_к, DU_{кэ откр} > U_бэ > 0, поэтому U_кб = U_кэ – U_бэ = Е_к – U_бэ > 0 (см. рис. 7.2, б, в).

В граничном режиме (в точке М_о) U_кэ = DU_{кэ откр}, U_бэ = DU_{кэ откр}, поэтому U_кб = U_кэ – U_бэ = 0.

В режиме насыщения (в точке М_нас) U_кэ = DU_{кэ нас} < DU_{кэ откр}, U_бэ=U_бэ4>U_бэ3=DU_{кэ откр}, поэтому U_кб = U_кэ – U_бэ = DU_{кэ нас} – DU_{кэ откр} < 0 (см. рис. 7.2, б, в).

Режим насыщения используют не только для снижения напряжения на открытом транзисторе, но и для стабилизации открытого состояния транзистора при воздействии помех во входной цепи, а также для снижения чувствительности к разбросу параметров транзисторов и изменений температуры.

Необходимый ток базы обеспечивается параметрами входной цепи транзисторного ключа

I_б = (U_вх – U_{бэ нас})/R_б.                                          (7.7)

 

---

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1819; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!