Тема 8. Імпульсні пристрої на інтегральних mікросхеmах

8.1. Особливості імпульсного режиму електронних пристроїв

Електронні пристрої, які працюють не 6езперервно, а в переривчастому дискретному режимі, тривалість якого сумірна з тривалістю перехідних про­цесів, називають імпульсними.

Імпульсні пристрої застосовують для формування імпульсів заданої форми, тривалості та полярності з синусоїдальних коливань та імпульсів іншої форми за допомогою лінійних та нелінійних електричних кіл; генерування імпульсів не­обхідної форми та параметрів імпульсними релаксаційними генераторами; керування імпульсами, що зв'язане з визначенням часового положення імпульсів, а також з тимчасовою затримкою імпульсів, їх синхронізацією, лічбою, розподі­лом та ін.

Рис. 8.1

Під імпульсом розуміють короткочасну зміну напруги (струму) в електрич­ному колі від нуля або деякого сталого рівня U₀ (І₀), тривалість якої сумірна або менша тривалості перехідних процесів в цьому колі.

Якщо сигнал триває довше, ніж перехідний процес в електричному колі, то режим роботи його під час дії сигналу вважається усталеним, а сам сигнал для цього кола не є імпульсним.

Імпульси мають різну форму: прямокутну, трапецеїдальну, пилкоподібну, трикутну, експоненційну, дзвоноподібну (рис. 8.1).

Розрізняють відеоімпульси, які являють собою короткочасну зміну напруги (струму) в колі постійного струму (рис. 8.2, а), та радіоімпульси – короткочасні пакети високочастотних коливань напруги або струму (рис. 8.2, 6), огинаю­ча яких має форму відеоімпульсу. Відеоімпульси можуть бути позитивної (рис. 8.1, а – в) або негативної (рис. 8.1, г – е) полярності, а також різнополярними (рис. 8.2, а).

Як періодична послідовність (див. рис. 8.1, а – д) імпульси характеризуються такими параметрами: періодом і частотою повторення, тривалістю паузи, шпа­руватістю та коефіцієнтом заповнення. Періодом повторення імпульсів Т нази­вають інтервал часу між початком (кінцем) двох сусідніх однополярних імпульсів. Величина, зворотна періоду повторення, називається частотою повторення(слідування) імпульсів, тобто F = 1/Т . Тривалістю паузи t_п називають інтервал часу між закінченням одного та початком наступного однополярних імпульсів: t_п = Т – t_і. Шпаруватість імпульсів q характеризується відношенням періоду повторення до тривалості імпульсу: q = Т /t_і. Величину, зворотну шпаруватості, наливають коефіцієнтом заповнення імпульсів: γ = t_і /Т . Шпаруватість – величина безрозмірна і завжди більша за одиницю. Вона є енергетичною характеристикою імпульсного пристрою, оскільки відображає можливість накопичення великих енергій та потужностей за час порівняно великої паузи між імпульсами та генерування цієї енергії під час короткого імпульсу.

Рис. 8.2

Періодична послідовність імпульсів має великі інформаційні можливості. Інформація про параметри будь–якого об’єкта, виробу, електричного або неелектричного процесу заноситься до імпульсного сигналу за допомогою час–імпульсного або число–імпульсного методів. У першому випадку носієм інформації є тривалість імпульсів, в другому – число імпульсів у задано­му інтервалі часу.

Крім параметрів періодичної послідовності імпульсів, є також парамет­ри форми імпульсів. Характерними ділянками імпульсу, що визначають його форму, є (див. рис. 8.1, а): фронт 1 – 2, вершина 2 –3, зріз 3 – 4. У імпульсів різних форм окремих ділянок може не бути. Кількісну оцінку фор­ми імпульсів та властивостей його окремих ділянок розглянемо на прикладі реального імпульсу прямокутної форми (рис. 8.2, в). Параметри форми імпульсів: амплітуда імпульсу U_т, тривалість імпульсу t_і, тривалість фронту t_ф , тривалість зрізу t₃, спад вершини імпульсу ΔU_т.

Амплітудою імпульсу називають найбільшу напругу (струм) імпульсного сигналу. В інформаційних імпульсних пристроях амплітуда імпульсів лежить в межах від десятих частин до сотень вольт (від части н мілі­ампера до частин ампера).

Тривалість імпульсу визначається відрізком часу між моментами виник­нення та зникнення імпульсу. Тривалість реального імпульсу виміряти важ­ко. Її заміряють на рівні 0,1 U_т або 0,5U_т, рахуючи від основи. Тривалість імпульсу для останнього випадку називають активною три­валістю t_іа, оскільки результат впливу імпульсу на електричне коло реально виявляються при досягненні ним рівня, близького до 50 %. У пристроях мікросхе­мотехніки тривалість імпульсів 10.9...1 с.

Тривалість фронту визначається часом зростання імпульсу, а тривалість зрі­зу – часом спаду імпульсу. Інтервали часу, які відповідають тривалості фронту t_ф та зрізу t₃ імпульсу, відраховують відповідно між рівнями 0,1 U_т – 0,9U_т та 0,9 U_т – 0,1U_т. Це є активні тривалості фронту та зрізу імпульсу, які станов­лять 5...20 %. Чим менше відношення t_ф /t_і; та t₃ /t_і, тим ближче реальна форма імпульсу до прямокутної й тим доброякісніший процес обміну інформацією в імпульсних пристроях.

Спад вершини імпульсу ΔU_т відбувається від недосконалості формувачів та генераторів імпульсів. Бажано, щоб спад був по можливості якнайменший. Іноді замість абсолютного визначають відносний спад ΔU_т /U_т. у деяких імпульсах (експоненцiйних, трикутних та ін.) плоска вершина відсутня, і в точці вершини фронт переходить одр азу в зріз.

Інформаційні імпульсні пристрої формують імпульси за допомогою ліній­них та нелінійних кіл з пасивними та активними елементами. На вхід таких кіл подають сигнали синусоїдальної або несинусоїдальної форми; на виході отри­мують імпульси із заданими параметрами. Найпростішими є лінійні кола, які диференціюють та інтегрують, формують лінії з (розподіленими та зосередженими параметрами. Найпростіші нелінійні формуючі кола – це електронні ключі–обмежувачі та ін. У складніших формувачах імпульсів використовують нелінійні пристрої із самозбудженням або із зовнішнім запуском. В обох випа­дках параметри генерованих імпульсів та енергетичні показники пристроїв за­лежать від параметрів елементів самого генератора та типу схеми. У генераторів із зовнішнім запуском вхідний сигнал керує лише моментом виникнення генерації, а далі генерація імпульсу відбувається за рахунок внутрішніх процесів у схемі.

Обидва типи генераторів належать до більшого класу імпульсних пристроїв, які називаються регенеративними. Регенеративні пристрої характеризують­ся позитивним зворотним зв'язком, який викликає лавинні процеси в схемі та призводить до стрибкоподібної зміни стану схеми, чи то до стрибків напруги та струму. До регенеративних імпульсних пристроїв належать тригери, муль­тивібратори, одновібратори, блокінг–генератори та ін.