книги / Справочник по микроэлектронной импульсной технике

Для определения оптимального значения опорного напряжения выражение (П.23) приведем к виду

где Т — период следования запускающих импульсов.

Сопротивление резистора R рассчитывается согласно неравенству (1 1 .2 2 ), а требуе­ мая емкость конденсатора С после расчета сопротивления R определяется по заданной длительности tHс помощью формулы (11.24).

5.ГЕНЕРАТОРЫ НА ОПТРОННЫ Х ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯХ

СПЕРЕЗАРЯЖАЮЩИМИСЯ КОНДЕНСАТОРАМИ ВЗМ

Для повышения стабильности временных параметров импульсов генераторов на оптронных переключателях в качестве ВЗУ целесообразно использовать ВЗМ с переза­ ряжающимися конденсаторами (рис. 11.8, а). Возможность использования резисторов^

иVD3 являются опорными и, поочередно отпираясь, прекращают заряд конденсаторов

иэтим обусловливают опрокидывание генератора. В режиме автоколебаний левый конденсатор заряжается через диод VD1, а правый — через участок база — эмиттер

транзистора VT2. Транзистор VT1 в это время закрыт, обеспечивая % = Ul , a VT2 — открыт, обеспечивая #а U9, Конденсаторы стремятся зарядиться до напряжения

271

ис (оо) = U1 — U0. Диоды[VD2 и VD3 при этом закрыты до тех пор, пока напряжение

на правое конденсаторе, увеличиваясь, не достигнет уменьшающегося напряжения на ле­ вом нижнем резисторе R. Диод VD3 откроется, а заряд правого конденсатора прекратит­ ся при напряжении ис (tH) = (V1 — U° — UD)I2. Ток правого конденсатора — базово­

Конденсаторы моста начнут разряжаться, а затем перезаряжаться через резисторы R и через диод VD4 левый, а через участок база — эмиттер открытого транзистора VT1 — правый конденсатор. Открытое состояние транзистора VT1 и закрытое VT2 обеспечивает устойчивость состояний uv = U0 и и2 = и* до тех пор, пока увеличивающееся напряже­ ние на правом конденсаторе не достигнет напряжения на левом верхнем резисторе R. Диод VD2 при этом откроется, ток правого конденсатора (базовый ток транзистора VT1) резко упадет до нуля, вызывая гашение светодиода DD1, опрокидывание генератора и повторение описанных выше процессов. Ввиду того, что напряжение на конденсаторе

Для того чтобы при уменьшении зарядного (базового) тока возбужденный светодиод не погас раньше, чем откроется соответствующий опорный диод (VD2 или VD3), необ­ ходимо выполнить неравенство (Уб (/и) > h* гДе 1б (*и) *=* Ф 1, — U°)/(2R). Тогда со­ противление резисторов R необходимо рассчитывать в соответствии с неравенством

Для перевода рассмотренного автогенератора в заторможенный режим необходимо исключить один из опорных диодов, например VD3, и транзистор VT2, заменив его дио­ дом VD4 (рис. 11.8, б). Левый нижний и правый верхний резисторы R необходимо заменить резисторами R' с малыми сопротивлениями, обеспечивающими кратковремен­

переключателя DD2, соединенный с выходом DDlt используется для запуска генератора.

Особенностью рассмотренных генераторов с времязадающим мостом (рис. 11.8, а и б) является сравнительно высокое напряжение на обратно смещенных эмиттерных перехо­ дах транзисторов. Оно равно напряжению на времязадающих резисторах и имеет мак­ симальное в начале процесса перезаряда значение около 1 ,5 (Д. Для исключения возмож­ ных пробоев времязадающие резисторы /?, включенные параллельно эмиттерным пере­ ходам (рис. 1 1 .8 , а и б), необходимо заменить защитными диодами, а резисторы R с шун­ тирующими диодами включить последовательно с эмиттерными переходами. Па

272

рис. 1 1 .8 , в показана схема элемента моста, которым при необходимости можно заменить транзистор с шунтирующим его вход резистором R на рис. 11.8, а и б. Если ток конден­ сатора С (рис. 11.8, в) течет слева направо, то конденсатор заряжается через резистор R и защитный диод VD2 (транзистор VT закрыт). При противоположном направлении тока конденсатор заряжается через участок база — эмиттер транзистора VT и шунтиру­ ющий диод VDI. Максимальное значение напряжения, запирающего транзистор эле­ мента, равно напряжению на открытом диоде VD2.

Формулы (11.26) и (11.28) могут быть использованы и при расчете генераторов с за­ щитными диодами.

6 . ГЕНЕРАТОРЫ НА ОПТРОННЫ Х ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯХ

СОПТИМИЗИРОВАННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ВЗЦ

Вгенераторах этого типа роль опорных диодов выполняют светодиоды оптронных переключателей, с помощью которых сравниваются опорные и времязадающее напряже­ ния. Опорное напряжение задается с помощью дополнительного источника или форми­ руется из источника питания резисторным делителем напряжения. Таким образом, в ге­ нераторах такого рода имеется возможность оптимизации параметров ВЗЦ (без примене­ ния транзисторов) по критериям минимума относительной нестабильности или максиму­ ма эффективности (см. гл. 3) путем выбора оптимальных величин опорных напряжений в соответствии с данными табл. 3.3 (для микросхем ТТЛ).

Автоколебательный генератор на оптронных переключателях с перезаряжающимся

конденсатором ВЗЦ (рис. 11.9, а) собран на двух оптронных переключателях DDI и

в7 при равенстве времязадающего напряжения с ВЗЦ

ется через источник напряжения + £ , резистор /?, открытый диод VD2 и выход переключа­ теля DD2. Светодиоды переключателей и диод VD1 при этом закрыты, а времязадающее напряжение ывх1 на верхней обкладке конденсатора (на аноде светодиода переключателя

диод переключателя DD1 и переводит последний в нулевое состояние. Единичное напря­ жение со входа инвертора DD2 снимается и он переходит в единичное состояние. Триггер переключается! а конденсатор С начинает перезаряжаться в обратном направлении.

273

Возвращение триггера в исходное состояние происходит при ивх2 = Ya^ +

где ивх2 — времязадающее напряжение на аноде светодиода переключателя DD2 (на ниж­

ней обкладке конденсатора С).

Длительность сформированного таким образом импульса (за время перезаряда кон­ денсатора в прямом направлении) в соответствии с временными диаграммами напряжений

Как следует из табл. 3.3 (для ВЗЦ вида 4, микросхем типа ТТЛ и автоколебательного режима работы), для обеспечения минимальной относительной нестабильности длитель­ ности tu или максимальной эффективности оптоэлектронного генератора коэффициенты деления у резисторных делителей необходимо выбирать равными соответственно Yoptl ^

= 0,64 или Yopt2 = 0,83. Тогда из формулы (11.30) в первом и во втором случаях следует

Помимо оптимизации параметров ВЗЦ, в генераторах йа оптронных переключателях с опорными светодиодами существует возможность исключить (значительно снизить) влияние недостаточно стабильных параметров £/°, UDt £/г и Е на длительности генериру­

емых импульсов. Для отыскания оптимального коэффициента Yopt* обеспечивающего по­ добного рода стабилизацию, необходимо выражение (11.29) преобразовать к виду

Для нормальной работы автогенератора сопротивления времязадающих резисторов следует выбирать из условий

обеспечивающих возбуждение светодиодов переключателей.

Генератор, в зависимости от его назначения, рассчитывается по формулам (11.31) — (11.33). При этом сначала необходимо выбрать сопротивления R , /?*, R2, R 3 и в соот­ ветствии с неравенствами (11.33) и выбранными Yoptl» Yopt2 или Vopt* а затем по формулам (11.31) или (11.32) рассчитать емкость конденсатора С.

Для перевода рассмотренного генератора (рис. 11.9, а) в заторможенный режим рабо­ ты необходимо исключить один из резисторов R, диод, например VD2, и один из резистор­ ных делителей, например R3, R4, а светодиод одного из оптронных переключателей (DP2) возбуждать входным запускающим импульсом (рис. 1 1 .9 , б).

В исходном состоянии переключатель DD1 открыт, a DD2 закрыт (и* = №, щ = = t/1), напряжение цэвп = 0 , светодиоды закрыты, диод VDI открыт. При поступлении

274

запускающего импульса положительной полярности возбуждается светодиод переключа­ теля DD2, что приводит к опрокидыванию триггера. Диод VD1 закрывается, а конден­ сатор С перезаряжается через источник + £ , резистор R и выход инвертора DD2 до тех пор, пока не возбудится светодиод переключателя DD1 (запускающий импульс к этому моменту должен закончиться). После этого триггер возвращается в исходное состояние, а конденсатор разряжается через открывшийся диод VD1 и выходы переключателей, что определяет время восстановления исходного состояния генератора

из табл. 3.3 (для ВЗЦ вида 4, микросхем типа ТТЛ и заторможенного режима), из выра­

Для отыскания оптимального значения уор^, обеспечивающего стабилизацию дли­ тельности выходного импульса, выражение (11.36) необходимо преобразовать с учетом

из условия (11.38), а затем по одной из формул (11.37) или (11.38), в зависимости от назна­ чения генератора, определить емкость С. Длительность запускающих импульсов и их период следования ограничены неравенствами /зап < tu и Т ^ tH+ /в»гДе определя­ ется из выражения (11.34).

Существенным преимуществом рассмотренных генераторов является то, что во время формирования рабочих импульсов светодиоды переключателей остаются закрытыми. В возбужденном состоянии они находятся лишь короткое время, определяемое временем

переключения триггера.

Включая оптронные переключатели по схемам триггеров (с добавлением резисторов R'), на их основе можно выполнять многофазные генераторы импульсов. На рис. 11.10, а и б изображены принципиальная схема и временные диаграммы напряжений двухфаз­ ного генератора на оптронных переключателях. В качестве ВЗЦ с оптимизируемыми параметрами использованы ВЗЦ с перезарядом конденсатора относительно единичного выходного напряжения (ВЗЦ вида 5 в табл. <3.3). Опорные напряжения Yi^1»

Yи С/1 и Y4 U1 формируются из^ единичного выходного напряжения переключателя с по­ мощью резисторных делителей (на схеме не показаны).

При указанных на рис. 1Ы 0, а связях между входами и выходами оптронных пе­ реключателей и времязадающими RC-цепями в двухфазном генераторе в процессе по­ следовательного перезаряда конденсаторов С1 и С2 в прямом, а затем в обратном направ­ лениях и последующего поочередного переключения триггеров, формируются четыре временных интервала, составляющих две выходные последовательности импульсов, сдви­ нутые по фазе (во времени) На время перезаряда одного конденсатора. Триггеры пере­ ключаются при возбуждении светодиодов в моменты равенства одного из четырех времявадающих напряжений на обкладках конденсаторов и соответствующего опорного на­ пряжения.

275

При принятых обозначениях на временных диаграммах напряжений (рис. 11.10, б) параметры выходных импульсов двухфазного генератора определяются соотношениями

табл. 3.3 для ВЗЦ вида 5, микросхем типа ТТЛ и автоколебательного режима работы. Для обеспечения минимальных относительных нестабильностей длительностей временных

276

Для повышения стабильностей временных интервалов и увеличения максимального

При расчете двухфазного генератора по заданным временным и фазовым соотноше­ ниям необходимо сначала, по выбранным* из табл. 3.3 коэффициентам уори или V0 pt2* рассчитать сопротивления резисторных делителей напряжения, потом из условий (11.41) или (11.43) выбрать допустимые сопротивления времязадающих резисторов R1, R2, R3 и R4, а затем по формулам (11.39) с учетом соотношений (11.40) или (11.42) отыскать емкости конденсаторов С/ и С2.

7. ГЕНЕРАТОРЫ НА ОПТРОННЫ Х ТРИГГЕРАХ

СТРАНЗИСТОРНЫМ И ВЗУ

Вмикросхемах оптронных переключателей, помимо диодной оптопары, имеется ин­ вертор НЕ. Поэтому, обеспечивая положительные обратные связи с выхода одного пере­ ключателя на вход другого, на основе двух оптронных переключателей можно выполнять устройства с двумя устойчивыми состояниями (триггеры) с хорошими характеристиками.

На рис. 11.11, а и б изображены принципиальная схема и временные диаграммы на­ пряжений оптоэлектрониого /^S-триггера с прямыми входами. Работает триггер следую­ щим образом. Если переключатель DD1 закрыт и ывх1

а* 0, ывх2 ^ 0, то светодиод переключателя DD2 возбуж­

ден под воздействием выходного единичного напряжения переключателя DD1. По этой причине переключатель DD2 открыт. Светодиод переключателя DD1 закрыт. Таким об­ разом обеспечивается одно из устойчивых состояний триг­

переключателя DD1 в нулевое состояние (их = U0). В ис­ ходное состояние триггер возвращается при подаче на ка­ тод светодиода переключателя DD1 положительного им­ пульса с амплитудой U1 — Ur < wDXl < U1. В этом слу­

чае создаются условия для закрывания светодиода пере­

сигналов для такого триггера является одновременное по­ ступление входных единичных напряжений. При этом оба переключателя установятся в единичные состояния (uf = = U \ и2 = U1), так как будут отсутствовать условия для возбуждения их светодиодов.

Генераторы, выполненные на основе оптоэлектронных триггеров, [отличаются высокой и постоянной в широком диапазоне частот крутизной фронтов выходных импульсов.

27/

Для построения автоколебательного генератора необходимо обеспечить непрерыв­ ное изменение состояний триггера с помощью ВЗУ. При использовании ВЗУ с переза­ ряжающимся конденсатором ВЗЦ и диодно-транзисторным компаратором автоколеба­ тельный генератор импульсов на оптронных переключателях в триггерном включении следует выполнять по принципиальной схеме, изображенной на рис. 11.12, а. В генера­ тор входят: оптоэлектронный триггер на переключателях DD1 и DD2\ диоды VD1 и VD2, обеспечивающие, в зависимости от состояния триггера, перезаряд конденсатора С в прямом или обратном направлении через источник напряжения + £ , времязадающий резистор /?, защитный диод VD4 или VD3, эмиттерные переходы составного транзистора VTlt VT2 или VT3, VT4 и выход открытого переключателя; опорные диоды VD5 и VD6, сравнивающие времязадающее напряжение с опорным напряжением уЕ. Свето­ диоды переключателя включены в коллекторные цепи составных транзисторов, а конден­

сатор перезаряжается через времязадающие резисторы их базовыми токами. Такое вклю­ чение составных транзисторов и их применение в качестве управляющих обеспечивает нормальную работу генератора при больших сопротивлениях времязадающих резисторов.

Принцип работы генератора рассмотрим при полной симметрии схемы (UDI = U p j^ 1

а конденсатор С перезаряжается через источник напряжения + £ , верхний резистор /?, открытый диод VD3, эмиттерные переходы транзисторов VT4, VT3t открытый диод VD2 и выход переключателя DD2. Напряжение ис на конденсаторе при этом экспонен­

циально уменьшается (рис. 11.12, б) от ис (0) == уЕ — 2UD — U°t стремясь к ис (оо) = = - ( E - —4Ud — U°). Опорные диоды VD5 и VD6 закрыты, светодиод переключателя DD2 возбужден, обеспечивая и2 = U0. При uc (tn)=—(уЕ — 2UD — U°) открывается

опорный диод VD5, базовый ток (ток перезаряда конденсатора) составного транзистора VT3, VT4 резко падает, последний закрывается, вызывая гашение светодиода переклю­ чателя DD2. Напряжение и2увеличивается, обеспечивая запирание диода VD2 и начало перезаряда конденсатора в обратном направлении. Появившийся при этом ток переза­ ряда открывает составной транзистор VT1, VT2, что приводит к возбуждению светодио­ да переключателя DD1 и к опрокидыванию триггера. Триггер возвращается в исходное состояние после перезаряда конденсатора в обратном направлении и отпирания опор­ ного диода VD6.

278

Для отыскания оптимального значения уор1, обеспечивающего компенсацию неста­ бильности /н, вызванную флуктуациями UD и Е, необходимо выражение (11.44) преобра­ зовать с учетом U° & UD к виду

a

— 2 £ / 0 — £7° (рис. 11.13, б). Возвращается триггер в исходное состояние при ис (/„) = = уЕ — UD — U° после отпирания опорного диода VD2, запирания составного транзи­

стора VT1, VT2 и запирания светодиода переключателя. Формирование выходного им­ пульса завершается после заряда конденсатора С через выход триггера и открытые диоды VD1 и VD3 до исходного состояния и (0), чем определяется время восстановления исход-

279

'Vopt

Для исключения запрещенного сочетания входных сигналов оптоэлектронного триг­ гера параметры запускающих и выходных импульсов должны удовлетворять условиям

Если обеспечить Тдап < *и> то заторможенный генератор будет работать в режиме деления частоты с параметрами выходных импульсов

Глава 12

ДВУХПОЛЮСНИКИ И ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКИ УСТРОЙСТВ С ЗАРЯДОВОЙ связью И ИХ ЭЛЕМЕНТЫ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСТРОЙСТВ с з а р я д о в о й с в я з ь ю

Устройства с зарядовой связью (УЗС) — это устройства, в которых основным физи­ ческим процессом является перераспределение отдельных порций заряда под действием внешних управляющих сигналов. В УЗС (рис. 12.1) используются два механизма пере­ распределения зарядов: направленный перенос и двусторонний обмен.

Направленный перенос возникает под действием электрического поля, создаваемого импульсными сигналами управления. На перенос носителей затрачивается энергия уп­ равляющих импульсов, которая преобразуется в энергию сигнала, поэтому устройствао направленным переносом являются активными. Направленный перенос реализуется ш полупроводниковых приборах с зарядовой связью (ПЗС) и схемах типа «пожарная» цепочка [26]. Основу УЗС составляют линейки или матрицы накопительных конденса­ торов. В ПЗС накопительные конденсаторы существенно нелинейны.

Двусторонний обмен зарядами происходит при замкнутых электронных ключах между конденсаторами, заряженными до различных напряжений. При этом на перерас­ пределение зарядов не затрачивается] энергия источника сигнала, поэтому такие уст­

280