книги из ГПНТБ / Важенина, З. П. Транзисторные генераторы импульсов миллисекундного диапазона

[15, 16, 42] позволяет значительно улучшить качествен­ ные показатели ключевого устройства, а именно повы­ сить быстродействие и уменьшить выходное сопротивле­ ние при сохранении высокого входного сопротивления. В схемах, представленных на рис. 2.10, выходное сопро­ тивление схемы, находящейся во включенном стацио­ нарном состоянии, предельно мало, так как определяется выходным сопротивлением насыщенного биполярного транзистора; входное сопротивление велико, так как определяется входным сопротивлением полевого транзи­

ких сотен миллиампер на вольт. Схема рис. 2.10,6 отли­ чается от схемы рис. 2.10,а лишь тем, что в ней проход­ ные характеристики полевого транзистора (рис. 2.3) сдвинуты влево на величину падения напряжения на эмиттерном переходе биполярного транзистора. Эта ве­ личина для кремниевых биполярных транзисторов при­ мерно равна 0,6 В [15].

2. 2. Мультивибраторы

Автоколебательный мультивибратор с коллекторнозатворными связями

Схема автоколебательного мультивибратора с кол­ лекторно-затворными связями [42], выполненная на гиб­ ридных ключевых каскадах, состоящих из полевых тран­ зисторов р-тппа с управляющим р-п переходом и бипо­ лярных транзисторов типа р-п-р, изображена на рис. 2.11. На рис. 2.12 даны временные диаграммы, поясняющие работу схемы рис. 2.11. Запертое состояние транзисторов Т1 и ТЗ в течение интервала Ua. поддерживается паде­ нием напряжения, создаваемым на резисторе R1 током разряда конденсатора С1, который протекает через раз­ рядный резистор R1 и насыщенный транзистор Т2. Так как в цепи разряда конденсатора С1 нет источника пи­ тания, то положительное напряжение на затворе тран­ зистора ТЗ в процессе разряда С1 стремится к нулевому уровню. В момент достижения потенциалом затвора ТЗ величины порогового напряжения во (момент 11 на вре­

менной диаграмме им) полевой транзистор ТЗ откры­ вается, вызывая открывание биполярного транзистора

70

Рис. 2.11. Схема автоколебательного мультивибратора с коллектор­ но-затворными связями.

77. На коллекторе биполярного транзистора 77 при этом возникает положительный перепад напряжения, передаваемый через конденсатор С2 на затвор транзи­ стора Т2, уменьшая ток истока Т2, а следовательно, и базовый ток транзистора Т4. При этом коллекторный

Рис, 2.12. Временные диаграммы к схеме рис. 2.11.

71

передаваемый через 67 на затвор ТЗ. Это способствует возрастанию тока «стока транзистора ТЗ, росту базового II коллекторного токов транзистора Т1. Развивается ла­ винообразный процесс опрокидывания схемы, который заканчивается закрыванием транзисторов 72 п Т4 п вхождением транзистора 77 в насыщение, если выпол­ няется условие р/бі>/кіи. Так как /б I—/ст з» то условие

насыщения транзистора 77 принимает вид

пряжении на затворе и при напряжении мст, равном на­ пряжению источника питания Е. Эта величина приводит­ ся в паспорте полевого транзистора/

7?ш>1,9 кОм. Выберем значение /?ш = 2,2 кОм. Аналогично выберем

R,;2= 2,2 кОм.

Как только транзистор Т4 закроется и потенциал его коллектора понизится, т. е. понизится потенциал правой обкладки конденсатора 67, начнется заряд этого конден­ сатора. В начальный момент, после опрокидывания мультивибратора, зарядный ток конденсатора С1 проте­ кает от источника Е через сопротивления Ri и Rкг) на резисторе R1 возникает падение напряжения со знаком «минус» у затвора Т3\ при этом появляется прямая про­ водимость р-п перехода полевого транзистора. Входное сопротивление прибора резко падает, поэтому дальней­ ший заряд конденсатора осуществляется весьма быстро от источника Е через входное сопротивление гВх,пі на­ сыщенного биполярного транзистора Т1, прямопроводящий р-п переход Гизпр полевого транзистора ТЗ и сопро­ тивление R1{2. Время восстановления потенциалом кол­

лектора Т2 квазистационарного значения —Е опреде­ ляется выражением

Одновременно с 'зарядом конденсатора С1 осуществляет­ ся более медленный разряд конденсатора С2 через раз-

72

рядный резистор R2 и насыщенный транзистор Т1. Раз­ рядный ток, протекая по резистору R2, создает на нем падение напряжения со знаком «плюс» на затворе Т2. Это напряжение поддерживает запертое состояние тран­ зистора Т2.

рис. 2.12 в точку О]. С учетом переноса начала коорди­ нат закон изменения напряжения на затворе транзисто­ ра Т2 в функции времени имеет вид

Рис. 2.13, Схема мультивибратора с регулировкой периода и скваж­ ности в широких пределах.

73

В симметричном мультивибраторе по схеме рис. 2.11 для получения периода автоколебаний 7=1000 мс (верх­ нее граничное значение миллисекундного диапазона) при значениях £ = 1 0 В, = 1,4 В (2П102Е), £ і= £ 2=10М О м

величина емкостей С і= С 2 определяется по формуле

Ждущий мультивибратор с эмиттерно-затворной емкостью

Схема ждущего мультивибратора с эмиттерно-за­ творной емкостью, выполненная на гибридном ключевом каскаде, состоящем из полевого транзистора' с управ­ ляющим р-п переходом р-типа и биполярного транзисто­ ра типа п-р-п, изображена на рис. 2.15,а. На рис. 2.15,6 приведены временные диаграммы, поясняющие работу схемы.

Вждущем состоянии полевой транзистор Т1 открыт,

абиполярный Т2 открыт и насыщен при выполнении

условия (2.10) /?K> £ K/ß/cTНасыщенный транзистор Т2 «стянут в точку», поэтому можно считать, что напряже­ ние на выходе мвых=—£; до этого же напряжения за­ ряжен конденсатор С.

Запуск схемы осуществляется импульсом положи­ тельной полярности через переходный конденсатор С1 на затвор транзистора 77. При поступлении входного импульса транзистор Т1 закрывается. Так как ток стока

74

транзистора 77 является базовым током транзистора Т2, то одновремено закрывается и транзистор Т2. При этом потенциал коллектора Т2 относительно корпуса (мвых) скачком повышается почти до нулевого значения. Этот положительный перепад через конденсатор С передается на затвор полевого транзистора Т1. Конденсатор С начи­ нает перезаряжаться через резисторы R и RK с постоян­ ной времени т= ( R + R K)C. Так как в соответствии с усло­ вием (2.10) /?к=(1...5) кОм, а величина R для полу-

Рнс, 2.15. Ждущий мультивибратор с эмиттерио-затвориой емкостью:

а — схема; б — временные диаграммы.

чения импульсов в миллисекундном диапазоне выбирает­ ся равной 7?=(1...10) МОм, то можно считать т mRC.

По мере разряда конденсатора С напряжение на за­ творе уменьшается. Б момент достижения потенциалом затвора 77 значения порогового напряжения во проис­ ходит открывание полевого транзистора. Развивается регенеративный процесс, открывающий оба транзистора. Длительность запертого состояния транзисторов Т1 и Т2 равна длительности импульса tlb которая в соответствии с (2.12) ... (2.15) определяется выражением

тельностью процесса заряда С. Начальный путь заря­ да конденсатора — источник Е, сопротивление рези­ стора R, сопротивление коллектор— эмиттер транзисто­ ра Т2. При протекании зарядного тока на сопротивлении R создается падение напряжения со знаком «минус»

75

у затвора. Это вызывает прямую проводимость исток — затвор, входное сопротивление резко падает, и время восстановления схемы /„ оказывается весьма малым. Схема возвращается в исходное состояние.

Расширитель импульсов

На полевом транзисторе Т и двух резисторно-транзи­ сторных логических вентилях А и В (ИЛИ—НЕ) может быть собран ждущий мультивибратор, выполняющий функцию расширителя импульсов [73]. Схема расшири­ теля и временные диаграммы к ней представлены на рис. 2.16. В качестве транзисторов вентилей А и В вы­ браны транзисторы типа п-р-п, напряжение источника их коллекторного питания Ек\ в качестве полевого транзи-

Рис. 2.16. Расширитель импульсов:

а — схема: б— временные диаграммы.

стора выбран МДП-транзистор с каналом p-типа с изо­ лированным затвором, работающим в режиме обогаще­ ния (рис. 2А,д). Схема имеет интегральное исполнение.

В исходном состоянии на входе вентиля А и выходе вентиля В — низкие логические уровни, на выходе вен­

тиля А — высокий логический уровень, примерно равный Е к . До этого напряжения заряжен конденсатор. Полевой транзистор закрыт при условии 0< ( Е п —I Bx b R h < | ßo|),

где <?о<0. При этом исток и подложка находятся под напряжением Е и —I b x b R i ü напряжение между затвором

и истоком и.,<0 и и3< |е 0|. При подаче на вход вентиля А высокого логического уровня на выходе его устанав-

76

лнвается низкий логический уровень, вызывающий на за­ творе Т отрицательный перепад напряжения. Полевой транзистор открывается. Ток истока создает на сопро­ тивлении резистора Rn падение напряжения, приводя­ щее к отпиранию диода Д . При этом в течение форми­ рования импульса tu пых на диоде Д (и на входе вентиля

В) действует постоянный отрицательный уровень, под­ держивающий в закрытом состоянии вентиль В. На вы­ ходе вентиля В при этом наблюдается высокий уровень напряжения.

Длительность выходного импульса определяется вре­ менем разряда конденсатора С через разрядный рези­ стор R и открытый вентиль А. Так как в цепи разряда конденсатора С нет источника смещения, то напряжение на затворе транзистора Т относительно корпуса и'3 стре­ мится к нулевому уровню. Формирование импульса за­ канчивается в тот момент, когда и'а достигает значения

ности выходного импульса расширителя перенесем нача­ ло координат на временной диаграмме и'3 рис. 2.16,6 в точку 0 1. Тогда

\и'3\0 = Е сте~ІІІІС.

При i = ta

Такая величина емкостилегко реализуется при твердо­ тельном исполнении расширителя.

77

Устройство аадёржки

Представленное на рис. 2.17 устройство задержки [37] позволяет получить на выходе схемы перепад на­ пряжения, задержанный относительно перепада напря­ жения, подаваемого на вход схемы, на величину задерж­ ки /3, длительность которой определяется параметрами -RC-цеп'П, включенной в цепь затвора полевого транзи­ стора Тб. Если в качестве полевого транзистора выбран МДП-транзистор с индуцированным каналом, имеющим /'вх= Ю14... ІО15 Ом, то максимальное значение хрони­ рующего сопротивления резистора R можно выбрать

равным 100 Мом п при значении емкости С= 10 000 пФ, изменяя R в пределах 100 МОм... 100 кОм, осущест­ вить регулировку t-з во всем миллисекундном диапазоне.

В исходном положении Т1 закрыт. Это состояние Т1 поддерживает открытое состояние транзистора Т2\ при этом конденсатор С разряжен' (напряжение на нем рав­ но сумме падений напряжения на насыщенном транзи­ сторе Т2, резисторе R6 н диоде Д и составляет де­ сятые доли вольта). Кнопкой сброса Кн транзистор Т4 установлен во включенное состояние, а транзистор ТЗ — в запертое. При этом выходное напряжение имеет высо­ кий логический уровень. Транзисторы Т5 и Тб в исход­ ном состоянии закрыты. Делитель RtRs выбирается так, чтобы напряжение на базе Т5 было примерно равно Е/2.

При подаче на вход схемы отрицательного перепада напряжения (низкий логический уровень) транзистор Т1 открывается, а Т2 закрывается; при этом цепь, шунти­ рующая С, размыкается, и конденсатор С начинает за­ ряжаться от источника Е через R. При этом потенциал затвора транзистора понижается, и в момент достиже-

78

Мя потенциалом затвора относительно истока вёлйчНнЫ во происходит открывание транзисторов Тб, Т5 и ТЗ и закрывание транзистора Т4\ при этом выходное напря­ жение, снимаемое с коллектора Т4 скачком понижается (приобретает низкий логический уровень).

В последние годы появился целый ряд оригинальных схем на полевых транзисторах в интегральном исполнении [50, 73]. Они вы­ полнены только на МДП-транзпсторах с изолированным затвором и не содержат никаких других элементов схемы, причем одни транзи­ сторы используются в качестве сопротивлений нагрузки (см. § 2.1, п. 4), а другие работают в ключевом режиме. Емкость входного элек­ трода транзистора и паразитная емкость соединении схемы исполь­ зуются в качестве хронирующей емкости. Длительность выходного импульса регулируется внешним напряжением, приложенным к одно­ му из транзисторов, используемых в качестве сопротивления хрони­ рующей цепи. Эти схемы обладают малой мощностью рассеяния, осо­ бенно в ищущем состоянии; они предельно просты, так как число компонентов различных типов у них сведено к минимуму, а именно к одному. Однако в связи с тем, что хронирующей емкостью в на­ званных схемах является паразитная емкость соединений схемы, ко­ торая не превышает 100 пФ, данные схемы, несмотря на реализацию больших хронирующих сопротивлений, используются лишь в микросекундном диапазоне, и подробное рассмотрение принципа их дей­ ствия вышло бы за рамки названия книги.

2.3.Генераторы пилообразного напряжения (ГПН)

Для генерирования пилообразного напряжения в мил­ лисекундном диапазоне используются два наиболее рас­ пространенных вида ГПН на полевых транзисторах: 1) ГПН с токостабилизирующим двухполюсником в цепи заряда (разряда) конденсатора; 2) компенсационные схемы ГПН, в которых для стабилизации зарядного тока используются усилители с цепями положительной или отрицательной обратной связи. Схема автоколебатель­ ного варианта ГПН первого типа на полевом транзисто­ ре изображена на рис. 2.18,а [1], на рис. 2.18,6 дана вре­ менная диаграмма выходного напряжения ГПН. В каче­ стве зарядного сопротивления используется полевой транзистор, представляющий собой токостабилизирую­ щий двухполюсник в пентодной области характеристик іс т (« с т ) (рис. 2.7), в качестве разрядного сопротивле­

ния— неоновая лампа. Амплитуда пилообразного на­ пряжения равна разности напряжений зажигания и га-

79