7.2.1. Разработка структурной схемы генератора

Укрупненная структурная схема ГИ состоит из двух блоков: блока задающего генератора (ЗГ) и блока преобразования сигнала (БПС). В блоке ЗГ формируется доходная последовательность импульсов с заданными временными параметрами (tИ, tП), осуществляются регулировки длительностей отдельных стадий. БПС служит для преобразования формы исходного сигнала, усиления сигнала по амплитуде с возможностью ее регулировки, согласования ЗГ с низкоомной нагрузкой.

Проведем анализ наиболее распространенных вариантов построения блока ЗГ:

1) ГИ на транзисторах формирует однополярный импульс за счет перевода транзистора из режима отсечки в режим насыщения и обратно. Амплитуда импульса определяется напряжением источника питания и может быть обеспечена равной указанной в задании, т.е. не требуется дополнительного усиления сигнала, однако транзисторные ГИ имеет ряд недостатков: малый диапазон регулирования длительностей отдельных стадий сигнала, температурная нестабильность временных параметров колебаний, сильное влияние величины RН на параметры колебаний.

2) ГИ на 0У вырабатывает двухполярный импульс за счет переключения 0У от одного уровня насыщения к другому и наоборот. Уровни насыщения для большинства ОУ составляют ± 10 В. Длительность фронтов импульсов определяется временем переключения ОУ, которое у ОУ широкого применения составляет 0,2 – 10 мкс, что соответствует заданию. Имеется возможность регулирования длительностей обеих стадий сигнала в широких пределах. При реализации ЗГ на ОУ необходимо устранить "паразитную полуволну" сигнала, приведя ее уровень к 0 В, что обеспечивается с помощью диодного ограничителя.

3) ГИ на ЛЭ вырабатывает однополярный импульс при переключении ЛЭ из одного состояния в другое (от уровня логического нуля U0 до уровня логической единицы U1 на выходе ЛЭ) и обратно. Соответствующие напряжения для разных видов ЛЭ представлены в табл. 7.2.

Таблица 7.2 Напряжения логических уровней

Вид ЛЭ

Напряжение U0, В

Напряжение U1, В

ТТЛ

КМОП

ЭСЛ

£ 0,6

0

-1,7 ¸ -1,9

2,4 ¸ 3,5

3 ¸ 15

-0,8 ¸ -1

Если выполнить ЗГ на ЛЭ ТТЛ с выходным уровнем 3,5 В в импульсе и усилить напряжение до UHmах = 20 В, то уровень сигнала в паузе UH  будет составлять » 3,4 В, что больше допустимого. На выходе такого ЗГ необходимо применить схему сдвига уровня. Эта же проблема возникает при реализации ЗГ на ЛЭ ЭСЛ. При реализации ЗГ на ЛЭ КМОП уровень сигнала в паузе составит 0 В, что соответствует заданию. Длительности фронтов вырабатываемых импульсов определяются временем срабатывания ЛЭ, для ЛЭ КМОП его средняя величина составляет 50 – 100 нс, что также соответствует заданию.

Таким образом, ЗГ может быть реализован на ОУ и ЛЭ КМОП. В обоих случаях блок преобразования сигнала должен обеспечить его усиление до UHmах. Рассмотрим возможные варианты построения усилителя импульсных сигналов:

1) Однотактный каскад режима В, построенный по схеме транзисторного ключа, например, на транзисторе п-р-п типа. При UВХ £ 0 транзистор закрыт, ток коллектора IК » 0, UН » 0. При UВХ > 0 транзистор переходит в линейный режим, протекает определенный IК, задаваемый UВХ, на нагрузке выделяется падение напряжения UH = IК RН. На нагрузке формируется однополярный импульс, т.е. усилитель является одновременно и ограничителем для отрицательного входного сигнала.

Недостатком схемы является отсутствие непосредственной связи между общей точкой усилителя и нагрузкой. Кроме этого при малых уро
внях входного сигнала транзистор работает на нелинейном участке входной характеристики. В случае усиления прямоугольных импульсов это создает нелинейность регулирования, для линейно изменяющегося сигнала – приводит к искажению его формы.

2) Однотактные каскады режимов А и АВ строятся по схемам усилительных каскадов с общим эмиттером, общим коллектором, общим истоком. Для усиления двухполярных импульсов создается начальное смещение режима А, для усиления однополярных импульсов с устранением недостатков каскада режима В – смещение режима АВ. Реализация начального смещения требует применения разделительных конденсаторов во входной и выходной цепях, это приводит к нежелательным эффектам. Во-первых, наблюдается спад плоской вершины импульса. Величина спада плоской вершины зависит от емкости конденсатора и может быть сделана меньше допустимой соответствующим расчетом емкостей. Во-вторых, каждый разделительный конденсатор производит смещение постоянной составляющей сигнала на величину, равную среднему значению сигнала, например, для прямоугольных импульсов на величину

где UИ и UП – уровни сигнала в импульсе и паузе соответственно.

Из-за смещения постоянной составляющей при усилении однополярных сигналов в нагрузке появляется двухполярный сигнал, при усилении двухполярных сигналов изменяется соотношение между уровнями сигнала в импульсе и паузе.

Эффект смещения постоянной составляющей невозможно устранить изменением емкости конденсатора, для этого после каждого разделительного конденсатора применяют диодную схему восстановления постоянной составляющей, однако это затрудняет реализацию режима покоя во входной цепи транзистора, усложняет расчет схемы, а в ряде случаев, например, при малых уровнях сигнала, не дает желаемых результатов.

Однотактные каскады режимов А и АВ применяются для усиления двухполярных сигналов UСР = 0 и сигналов с большой скважностью, для которых UСР близко к 0.

3) Однотактный усилитель постоянного тока (УПТ) прямого усиления, например, с резистивной связью, построенный по схеме с общим эмиттером, не содержит разделительных конденсаторов, поэтому отсутствует смещение постоянной составляющей. Недостатком УПТ прямого усиления является так называемый "дрейф ну­ля", приводящий к невозможности реализации многокаскадных УПТ, где отклонения напряжения на коллекторе транзистора, например, из-за изменения температуры, усиливаются следующими каскадами и приводят к появлению сигнала на выходе УПТ в режиме покоя.

В рассматриваемом случае требуется небольшой коэффициент усиления усилителя, который можно обеспечить применением одного каскада усиления, что позволяет использовать схему УПТ прямого усиления.

4) Дифференциальный УПТ. Эта схема свободна от всех недостатков вышерассмотренных схем, является универсальной, способна усиливать сигналы любой формы, однако имеет большее количество активных элементов (для реализации дифференциального каскада необходимо не менее трех транзисторов).

На основе анализа возможных технических решений разрабатывается структурная схема генератора (рис. 7.1). В качестве ЗГ используем ГИ на ОУ, усилительное звено реализуем на однокаскадном УПТ с резистивной связью по схеме с общим эмиттером.

Режим работы транзистора – АВ. Поскольку каскад с общим эмиттером инвертирует напряжение, для получения в нагрузке положительного импульса на вход каскада необходимо подавать отрицательный импульс. Положительную "полуволну" сигнала с выхода ЗГ устраняем с помощью диодного ограничителя. Регулятор уровня сигнала в импульсе включается на входе УПТ.

Следует отметить, что ЗГ на ОУ является более универсальным в смысле получения на нагрузке импульсов той или иной полярности, т.к. формирует двухполярный сигнал. В рассматриваемом случае при выборе ЗГ на КМОП ЛЭ усилитель должен быть двухкаскадным, что ведет к заметному "дрейфу нуля".

После составления структурной схемы производят распреде­ление искажений фронтов импульсов по блокам генератора. Длительность фронта (среза) импульса на нагрузке определяется как

гд