8.2. Формирование задержанного импульса

Рассмотрим типовые устройства для формирования задержанного импульса и импульса заданной длительности.

В общем случае RC-цепи (рис. 8.1 – 8.2) являются пассивными фильтрами перво­го порядка, обладающими существенным недостатком – их коэффициент передачи К < 1, а выходные параметры зависят от сопротивления нагрузки.

При использовании интегрирующей RC-цепи в сочетании с поро­говым устройством (ПУ) можно получить задержанный, относительно входного импульса, сигнал (рис. 8.3.) Регулируя величину напряжения U_ПОР, можно получить значение задержки t_ЗАД. Величина задержки определяется соотношением

t_ЗАД ≈ τ_RC ln [E/(E - U_ПОР )] (8.4)

8.3. Формирование коротких импульсов

Для получения коротких импульсов, соответствующих фронтам входного длинного импульса, часто применяют дифференцирующую RC-цепь (рис .8.4).

Длительность выходных импульсов определяют постоянной времени =RC цепи. Если длительности вых. импульса t_ИМП измерять на уровне 0,9U_{ВЫХ Mах}, 0,5U_{ВЫХ Mах} и 0,1U_{ВЫХ Mах}, то они, соответственно, определяются выражениями:

t’_И ≈ 2,3τ = 2,3 RC. (с погрешностью 10%) (8.5)

t”_И ≈ 0,69τ = 0,69 RC. (с погрешностью 50%) (8.6)

t”_И ≈ 0,37τ = 0,37RC. (с погрешностью 90%) (8.7)

Длительность импульса на выходе ПУ пропорциональна  = RC:

t_И = τ_RC ln (E/U_ПОР ), при ( | E | > |U_ПОР| ) (8.8)

На практике роль ПУ выполняет компаратор или транзисторный ключ, т.к. они обла­дают пороговыми свойствами. При этом длительность выходного импульса на коллекторе транзистора приближенно оценивают выражением (8.6).

Величину сопротивления дифф. цепи необходимо выбирать из условия

R ≤ r_ВХ ≈ h_11Э ≈ 1-10 кОм

Емкость C цепи должна удовлетворять условию: С > (5…50)С_К.

Часто от высокоомного источника требуется подавать сигнал на низкоомную нагрузку Rн. Для этих целей применяют схему эмиттерного повторителя (ЭП) рис. 8.5,б.

Коэффициент усиления по напряжению и току со­ответственно составят:

К_U ≈ 1, К_I ≈ h_21Э = β (8.9)

Входное и выходное сопротивление схемы с ЭП определяются из выражения:

r_ВХ ≈ βR_Э; r_ВЫХ = (h_11Э R_Э)/(β(h_11Э+R_Э)) (8.10)

Рис. 8.6. Примеры формирования коротких импульсов на компараторах

8.4. Пороговые устройства (триггеры Шмитта) на базе компаратора

Регулировку порога срабатывания схемы триггера Шмита выполняют с помощью внешнего электрического опорного сигнала U_ОП. (рис. 8.7,а,б).

Схема (рис. 8.7,а) является инвертирующей по отношению к опорному напряжению, подаваемому на прямой вход, а реакция схемы на входное воздействие показана на рис. 8.7,в.

Схема триггера Шмита (рис. 8.7,б) неинвертирующая для исследуемого входного сигнала. Опорное напряжение подается на резистор R₃, а реакция схемы - показана на рис. 8.7,г.

Расчетные соотношения для рис. 8.7.а:

U’_ПВ =U_ОП+U_ПВ =U_ОП+βU⁺_ВЫХ; (8.16)

U’_ПН =U_ОП+U_ПН =U_ОП+βU^–_ВЫХ; (8.17)

β=R₁/(R₁+ R₂)U⁺_ВЫХ=E⁺_П. U^–_ВЫХ= E^–_П. (8.18)

Расчетные соотношения для схемы рис. 8.7.б:

U_ПВ=(R₁/R₂)∙U^–_ВЫХ-(R₁/R₂)∙U_ОП. (8.19)

U_ПН = -(R₁/R₂)∙U⁺_ВЫХ-(R₁/R₂)∙U_ОП. (8.20)

U⁺_ВЫХ = E⁺_Н. U^–_ВЫХ = E^–_Н.

U_ГИСТ = U_ПВ – U_ПН;

Ширина петли гистерезиса определяется отношением величин R₁ и R₂.

Пример. Дана схема инвертирующего компаратора на основе ТШ (рис. 8.8,а).

Входное напряжение изменяется по гармоническому закону

U_ВХ = U_msinω∙t = U_msin2π∙f.

U_m = 1 В; f = 100 Гц.

Необходимо построить статическую характеристику схемы (временные диаграммы напряжений для характерных точек).

Решение. Определим пороги срабатывания ТШ (рис. 8.8,а.):

U_ПВ = β∙U⁺_Вых = β∙Е⁺_П = β∙[R₁/( R₁+ R₂)] = (1/121)∙12.

В результате U_ПВ ≈ 100 mV; аналогично U_ПН ≈ – 100 mV.

U_ГИСТ = U_ПВ - U_ПН = 100 – (– 100) = 200 mV.

Пример построения временной диаграммы в точках 1÷3 приведен на рис .8.8,б.

РГР № 8. Задание для самостоятельного решения

№ 8.1. Разработать формирователь прямоугольных выходных импульсов для заданного входного сигнала. Варианты заданий приведены в таблице № 8.

№ 8.2. Разработать формирователь прямоугольных выходных импульсов с использованием схем триггеров Шмита для заданного входного сигнала.

Требуемая форма выходных сигналов и параметры импульсов приведены на диаграмме в таблице № 8. В схемах применять транзисторы из задания №2, №3, №4. Длительностями переходных процессов транзисторов можно пренебречь, считая входные и выходные импульсы значительно более длительными.

Составить электрическую схему и выполнить расчет ее параметры.

Построить совмещенные временные диаграммы сигналов в характерных точках устройства и описать процессы, приведенные на диаграммах.

Таблица 8. Диаграммы входных воздействий и реакция на выходе схемы

Литература основная

1. Рекус Г.Г. Основы электротехники и промышленной электроники в примерах

и задачах с решениями: Учебное пособие. – М.: Высш. шк., 2008. – 343 с.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высш. шк., 2001. – 620 с.

3. Березкина Т.Ф., Гусев Н.Г. Задачник по общей электротехнике с основами

электроники. – М .: Высш. шк., 2001. – 377 с.

4. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – М.: Радио, 2000. – 384 с.

Литература дополнительная

5. Сборник задач по электротехнике и основам электроники / Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высш. шк., 1987. – 288 с.

6. Изъюрова Г.И. Расчет электронных схем. – М.: Высш. шк., 1987. – 334 с.

7. Гусев В.Г. Сборник задач по электронике. – М.: Высш. шк., 1988. – 240 с.

8. Буланов Ю.А., Усов Н.С. Усилители и радиоприемные устройства.

– М.: Высш. шк., 1980. – 414 с.

9. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. – М.: Мир, 1992. - 505 с.

10. Власов Г.Л. Сборник задач по электронике. – Ижевск: Иж ГТУ, 2001. – 70с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А1

Таблица А1. Основные параметры полупроводниковых p-n – переходов

	Параметры соответствуют температуре Т = 300 К	парам	Ge	Si	GaAs
1	Ширина запрещенной зоны, [эВ]	ΔЕЭ, ΔWЭ	0,75	1,12	1,42
2	Собственное удельное сопротивление [Ом∙см]	ρ,	47	2,3∙105	108
3	Эфф. масса электрона по отношению к массе свободн. электрона	mn/mo	0,22	1,06	0,07
4	Эфф. масса дырки по отношению к массе свободного электрона,	mР/mo	0,39	0,56	0,5
5	Эффективная плотность состояний в зоне проводимости,[см–3]	NП	1019	2,8∙1019	4,7∙1017
6	Эффективная плотность состояний в валентной зоне, [см–3]	NВ	6∙1018	1019	7∙1017
7	Собственная концентрация электронов , [см–3]	ni	2,4∙1013	1,45∙1010	1,8∙106
8	Подвижность электрона, [см2/В∙с]	μn	3900	1500	8500
9	Подвижность дырок, [см2/В∙с]	μР	1900	450	400
10	Коэффициент диффузии электронов, [см/с]	Dn	100	36	290
11	Коэффициент диффузии дырок, [см/с]	DР	45	13	12
12	Дрейфовая скорость насыщения электронов, [см/с]	vНас	6∙106	107	6∙106
13	Дрейфовая скорость насыщения дырок, [см/с]	vНас	6∙106	8∙106	-
14	Электрическое поле пробоя, [Е/см]	ЕПР	105	3∙105	4∙105
15	Относительная диэлектрическая проницаемость, [пф/см]	εr = ε0∙ε	1,416	1,062	1,15
16	ТКЕ (ΔЕЭ/K) (температурный коэфф-нт емкости), [эВ/К]		-3,9∙10–4	-2,4∙10–4	-4,3∙10–4

Некоторые физические постоянные:

постоянная Планка: h = 6,62∙10^–34 [Дж∙с] = 4,14∙10^–15 [эВ∙с];

постоянная Больцмана: k = 1,38∙10^-23 [Дж/К] = 0,86∙10^–4 [эВ/К];

масса электрона: m₀ = 9,106∙10^–28 [гр] = 9,106∙10^–31 [кг];

заряд электрона: е = q = 1,602∙10^–19 [Кл]. С = ε∙ε_o∙S/Δl;

ε₀ = 8,85∙10^–12 [ф/м] = 8,85∙10^–14 [ф/см] = 8,85 [пФ/м] – абс. проницаемость;

ε_(Si) = 12; ε_(Ge) = 16 – диэлектрическая проницаемость ПП материала;

Содержание

Введение …………………………………………………………………………03

1. Тема 1. Свойства полупроводниковых элементов………………………….04

2. Тема 2. Схемы на основе диодов и стабилитронов…………………………13

3. Тема 3. Расчет параметров транзисторных ключей ………………………..26

4. Тема 4. Расчет параметров усилителей на транзисторах……………………33

5. Тема 5. Расчет источников стабилизированного питания ………………….41

6. Тема 6. Расчет параметров активных фильтров……………………………..47

7. Тема 7. Свойства и параметры одновибраторов и генераторов…………….55

8. Тема 8. Формирователи импульсов и элементы синхронизации…………..60

Приложение А1………………………………………………………………66

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ