книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

бота ограничителя на низких частотах будет обеспечена выбором параметров схемы в соответствии с условием

Rn>R>Rnp.

. Для получения симметричного ограничения в цепь диода включается источник напряжения £=0,5 (УПр (рис. 14.13).

Рис. 14. 13. Схема симметричного двустороннего ограничителя на одном диоде (а) и напряжение на его входе и выходе (б)

Недостатком рассмотренного способа, ограничивающего при­ менение его в технике, является разброс и нестабильность про­ бивного напряжения диодов, что обусловливает нестабильность амплитуды выходного сигнала.

§ 14. 3. БЫСТРОДЕЙСТВИЕ ДИОДНЫХ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ

Важной характеристикой диодного ограничителя, как и лю­ бого другого импульсного устройства, является его быстродейст­ вие, т. е. максимальная частота и крутизна фронтов импульсов ограничителя. Большое влияние на быстродействие оказывает емкость диода Сд и выходная емкость,.показанные для последо­ вательного ограничителя на рис. 14.14 пунктиром. Особенно сильно паразитные емкости сказываются при формировании зад­ него фронта импульса, т. е. когда диод заперт и сопротивление его очень велико. В этом случае время спада определяется по­ стоянной времени перезаряда паразитной емкости через сопро­ тивление нагрузки

£с = 3 /?п ( О д + £вт>тх) ■

Длительность переднего фронта импульса на выходе после­ довательного ограничителя значительно меньше длительности заднего фронта, так как определяется постоянной времени раз­ ряда паразитной емкости через прямое сопротивление диода

Іф=3 Rnyi ( С д + С л ы х ) ■

Таким образом, чем меньше значения Rnр, Сд и Спых, тем меньше искажается выходной сигнал.

182

Для получения очень коротких фронтов импульсов целесо­ образно использовать специальные импульсные диоды, обладаю­ щие малой емкостью. В этом случае передний фронт выходного импульса в основном определяется временем установления пря­ мого сопротивления диода т уС т , а задний фронт выходного импульса — временем восстановления обратного сопротивления диода. Параметры т у с т и т ВОс с т импульсных диодов обычно при­ водятся в справочниках.

В параллельном ограничителе (рис. 14.15), наоборот, перед­ ний фронт импульса имеет значительно большую длительность, чем задний. Передний фронт импульса формируется при запер­ том диоде и определяется постоянной времени разряда паразит­ ной емкости через ограничительный резистор R. Следовательно, /ф= 3 Д(Сд + СВЬІХ). Длительность заднего фронта импульса опре­ деляется постоянной времени паразитной емкости через прямосмещенный диод и поэтому значительно меньше времени перед­ него фронта. Таким образом, длительность заднего фронта опре­ деляется по формуле

to= 3 Дпр(Сд+ СВЬІХ) .

В быстродействующих ограничителях при использовании импульсных диодов, в параллельном ограничителе длительность фронта определяется временем восстановления обратного сопро­ тивления диода Твосст, длительность спада — временем установ­ ления прямого сопротивления диода туот.

§ 14.4. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ

Хорошие ключевые свойства транзистора позволяют созда­ вать на нем эффективные ограничители. Схема транзисторного ограничителя (рис. 14. 16) представляет простой реостатный уси­ литель с отрицательным смещением на базе.

Нагрузочный резистор Rn и резистор Ro выбраны таким обра­ зом, чтобы при заданном входном сигнале выходной сигнал имел

183

требуемую форму. Если рабочая точка находится посредине линейного участка характеристики (рис. 14.17), то происходит симметричное двустороннее ограничение.

он работает в режиме насыщения) слишком малы. Недостатком транзисторного ограничителя является запазды­

вание заднего фронта выходного импульса вследствие значитель­

§ 14.5. РАСЧЕТ ДИОДНОГО ОГРАНИЧИТЕЛЯ

Расчет диодного ограничителя сводится к выбору соответст­ вующего типа диода и определению величины сопротивлений Дп- и R. При выборе типа диода должны выполняться следующие требования:

184

1.Максимально допустимый ток диода должен быть больше

ного сигнала. Если включена батарея Е, задающая необходимый порог ограничения, то вместо UBX в формулах будет (UBX±E). Полярность напряжения Е определяется полярностью включения диода.

2.Максимально допустимое напряжение диода Ѵ ыакс должно быть больше амплитуды входного напряжения UBX.

3.Частотные свойства диода должны удовлетворять требуе­ мому быстродействию ограничителя. Параметры туст и тВОсст вы­

бранного диода должны быть меньше времени фронта и спада

4. Оптимальное значение сопротивления RH для последова­ тельного одностороннего ограничителя (см. рис. 14.1) опреде­ ляется, как среднее геометрическое между величинами Rnp и #обр диода:

На высоких частотах, если требуются короткие фронты вы­ ходных импульсов, значение /?н должно удовлетворять неравен­ ству

В схеме параллельного ограничителя RH должно удовлетво­ рять условию

R пр R н ^ R обр.

5. Величина ограничивающего резистора параллельного огра­ ничителя должна удовлетворять неравенству

Для снижения напряжения помехи на выходе целесообразно увеличивать R. Однако, если задано определенное время фронта выходного импульса £ф, то значение R должно удовлетворять неравенству

6. Амплитуда импульса выходного напряжения приблизи­ тельно равна величине UBX для односторонних ограничителей

185

с нулевым порогом ограничения, величина (Uay:± E ) для ограни­ чителей с порогом ограничения Е и величине ( | £ і | + |£ 2|) для двустороннего ограничителя.

§ 14. 6. РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО ОГРАНИЧИТЕЛЯ

Исходными данными для расчета обычно являются частота входного сигнала, длительность фронта выходных импульсов £ф, величина импульса выходного напряжения І/вых, а также мак­ симальное значение тока базы Ißm.

Сначала необходимо выбрать транзистор.. Частотные свой­ ства транзистора должны удовлетворять требуемому быстро­ действию и максимальной частоте следования импульсов.

Предельная частота усиления транзистора должна быть на порядок выше максимальной рабочей частоты. Максимально до­ пустимое напряжение транзистора должно быть выше напря­ жения и пых.

обеспечить режим насыщения транзистора при минимальном коэффициенте усиления, и в то же время максимальный ток кол­ лектора транзистора не должен превышать предельно допусти­ мого. Таким образом, величина сопротивления RK определяется из условия

D

Кк

3. Определяем сопротивление Re. Величина сопротивления Re должна обеспечить требуемую форму выходного импульса. На­ пример, для симметричного двустороннего ограничителя рабо­ чая точка должна располагаться посредине нагрузочной харак­ теристики (см. рис. 14.Т7). В этом случае величина сопротивле­ ния смещения определяется из выражения

о _ 2

Так как величина ß имеет разброс и может измениться при изменении окружающих условий, то следует рассчитывать Re на среднюю величину ß и вводить цепи стабилизации рабочей точки.

5.Рассчитывается длительность фронта импульсов. Величина фронта выходного импульса ограничителя зависит от глубины насыщения, величины запирающего смещения и т. д. Формулы для определения длительности фронта в зависимости от этих условий приведены в гл. IX.

6.Величина емкости С рассчитывается точно так же, как емкость разделительного конденсатора в линейных усилителях.

186

Г л а в а X V

ИМПУЛЬСНЫЕ СХЕМЫ НА ФЕРРИТАХ

ИПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

§15. 1. ПАРАМЕТРЫ ФЕРРИТОВ

За последние годы широкое распространение в автоматике и вы­ числительной технике получили импульсные схемы с использова­ нием ферритовых сердечников. Такие сердечники выполняются в виде кольца из ферромагнитного материала с прямоугольной петлей (циклом) гистерёзиса. Особенно эффективно их примене­ ние в магнитной памяти, в дешифраторах в феррит-диодных и феррит-транзисторных схемах. В настоящее время разработаны

временем перемагничивания (0,5—1 мкс). Эти свойства особенно важны при выполнении функций двоичного запоминания.

Если принять намагниченное состояние сердечника + В Г за единичное, а —Вг нулевое, то воздействие магнитного поля напряженностью + Н Сустанавливает сердечник в состояние «1», а воздействие магнитного поля напряженностью —Нс в состоя­ ние «0».

Сердечник, намагниченный полем определенного напряжения, после снятия поля остается намагниченным неограниченно долго. Для создания магнитного поля, перемагиичивающего сердечник из одного устойчивого состояния в другое, необходимо подать импульс тока в обмотку на сердечнике. Ферритовые сердечники, используемые для импульсных схем, обычно имеют три обмотки. Обмотка записи служит для перемагничивания сердечника в со­ стояние «1» (при поступлении в обмотку импульса тока доста­ точной амплитуды и длительности). Обмотка считывания служит для перемагничивания сердечника в состояние «0». При этом,

187

если сердечник находился в состоянии «1», то он перемагнитится в состояние «О», и © третьей, выходной, обмотке наводится сигнал.

Обмотку считывания часто называют тактовой, так как в ка­ честве импульсов считывания обычно используют тактовые им­ пульсы, которые следуют с постоянной частотой, определяющей рабочий такт цифрового устройства.

Чем меньше габариты сердечника, тем меньше требуется мощность для его перемагничивания. ЭДС, наведенная на вы­ ходной обмотке, характеризует начальное состояние сердечника. Если сердечник первоначально находился в состоянии «О», то под действием импульса считывания существенного изменения магнитного состояния сердечника не произойдет. В этом случае вследствие неидеальной прямоугольное™ петли гистерезиса за время нарастания и спада импульса считывания происходят не­ большие изменения магнитной индукции AB, что обусловливает возникновение в выходной обмотке импульсов помех. Поэтому для четкого разграничения между состоянием «1» и «О» жела­ тельно у материала сердечника иметь идеально прямоугольную петлю гистерезиса.

Сердечник можно установить в состояние «1» или «О» лишь в том случае, если величина напряженности магнитного поля не менее Яс. Напряженность магнитного поля, величина которой меньше Яс, сместит точку, характеризующую состояние сердеч­ ника, по петле гистерезиса на соответствующее расстояние, но после снятия магнитного поля эта точка вернется в первона­ чальное состояние.

Напряженность магнитного поля Нс, при которой индукция равна нулю, обычно называют «коэрцитивной силой» сердечника. Магнитный поток Вг, который остается в сердечнике после сня­ тия напряжения со всех обмоток (при нулевой напряженности магнитного поля), называют «остаточной магнитной индук­ цией». Отношение Вг/Вт (где Вт — максимальная магнитная индукция сердечника) называют «коэффициентом прямоуголь­ ное™» Кпр• Для большинства применяемых в настоящее время ферритовых сердечников /(пр= 0,85-^0,95. Так как величина Вт зависит от Нт, то целесообразно определять коэффициент пря­ моугольное™ при значениях Ят = (5ч-10)Яс, т. е. при значениях, близких к рабочим. Яс, Вг, Вт, КиР являются основными ста­ тическими параметрами сердечника, характеризующими состоя­ ние сердечника во время хранения информации. Статические параметры сердечника определяются по предельной петле гисте­ резиса (см. рис. 15.1). Динамические параметры характеризуют процесс перемагничивания сердечника под действием возбуж­ дающих полей.

Основными динамическими характеристиками являются зави­ симости времени перемагничивания, скорости перемагничивания и ЭДС, наводимой в обмотках сердечника, от напряженности

188

ветственно. С помощью этих параметров можно определить мощ­ ность, необходимую для перемагничивания, величину выходного сигнала и помехи, время перемагничивания сердечника и другие параметры. Зависимость времени перемагничивания от величины напряженности магнитного поля для ферритового сердечника ВТ-5 приведена на рис. 15.2.

Известно, что при перемагничивании с последующим возвра­ том в первоначальное состояние энергия, теряемая в магнитном

петли гистерезиса.' Следует иметь в виду, что если магнитное поле изменяется очень резко, то петля гистерезиса (см. рис. 15.1 пунктир) будет отличаться от петли, измеренной при постоянном токе. Энергия, выделяемая в сердечнике в этом случае, будет

•значительно больше. Например, при воздействии колоколообраз­ ного импульса в сердечнике теряется значительно меньше энер­ гии, чем при воздействии импульса прямоугольной формы той же амплитуды. Кроме того, расширение петли обусловливает затя­ гивание процесса перемагничивания. При этом следует учиты­ вать так называемую магнитную вязкость материала.

Применение магнитных сердечников ограничено вследствие значительной потери энергии, обусловленной большой площадью петли гистер.езиса в импульсном режиме. Кроме того, при по­ требляемой большой мощности от источника питания, сердеч­ ники сильно нагреваются и существенно изменяют свои свойства. С повышением температуры нарушается прямоугольность петли

гистерезиса и уменьшается остаточная индукция. Чем больше коэрцитивная сила сердечника, тем в меньшей степени его харак­ теристики зависят от температуры.

189

При значении напряженности магнитного поля меньшей Нс магнитное состояние сердечника не меняется даже при длитель­ ном воздействии магнитного поля. При больших значениях на­ пряженности магнитного поля скорость перемагннчивання почти прямо пропорциональна разности между Я и Я 0. Типичная за­ висимость 1/т и Я выражается прямой линией, представленной на рис. 15.3. Поскольку ЭДС, наводимая в выходной обмотке, пропорциональна скорости перемагннчивання, то зависимость амплитуды выходного импульса HDbIX от Я такая же, как и за­ висимость 1/т от Я.

Следует отметить, .если сердечник быстро перемагничивается под действием большой величины напряженности магнитного поля, то длительность выходного импульса будет соответственно' малой.

§ 15.2. ФЕРРИТ-ДИОДНЫЕ РЕГИСТРЫ СДВИГА

Все логические схемы на ферритовых сердечниках выполняют передачу состояний «1» и «О» из одного сердечника в другой. Ферритовый сердечник в этих устройствах играет роль запоми­ нающего устройства, а диод или транзистор, в сочетании с кото­ рыми он обычно применяется, выполняют вспомогательные функции.

Ді * г Дг <Рг Д3 Ь Дц. %

Рис. 15.4. Схема четырехразрядного регистра сдвига па феррит-диодных элементах

Рассмотрим феррит-диодную сдвигающую схему (рис. 15.4). Источники импульсов сдвига, обеспечивающие перемещение, рас­ сматриваться не будут,-

Представленный на рис. 15.4 регистр сдвига содержит че­ тыре сердечника. С выхода усилителя У. на обмотке считывания сердечников wc4, соединенные последовательно, поступают одно­ полярные тактовые импульсы. Тактовые импульсы имеют такую полярность, что каждый сердечник устанавливается в состояние «О». Кроме обмотки считывания, каждый сердечник имеет об­ мотку записи Wz и выходную обмотку ®ВыхПричем обмотка записи каждого сердечника соединена с выходной обмоткой пре­ дыдущего через цепь связи.

Для объяснения работы схемы предположим, что к моменту рассмотрения все сердечники находятся в состоянии, соответст-

190