Файл: Важенина, З. П. Транзисторные генераторы импульсов миллисекундного диапазона.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 31.10.2024
Просмотров: 54
Скачиваний: 0
3. П. ВАЖЕНИНА, Э. В. ПУДРИКОВ
ТРАНЗИСТОРНЫЕ
ГЕНЕРАТОРЫ
ИМПУЛЬСОВ
МИЛЛИСЕКУНДНОГО
ДИАПАЗОНА
МОСКВА, «СОВЕТСКОЕ РАДИО», 1974.
6Ф2.І В 12
УДК 621.374.5.001
ВАЖЕНИНА 3. П., ПУДРИКОВ Э. В Транзисторные генераторы импульсов миллисекундного диапазона. М., «Сов. радио», 1|974. 120 с.
В книге рассмотрены практические схемы релаксационных генера торов импульсов большой длительности на биполярных и полевых транзисторах, а также на транзисторном эквиваленте двухбазового диода; описан их принцип действия; дан анализ таких схем н приве дены соображения по их расчету. Изложение доступно для широкого круга читателей.
Кинга предназначена для инженерно-технических работников и разработчиков схем в области импульсной техники. Материал книги может быть также использован студентами радиотехнических вузов и техникумов.
■I табл., 45 рис., бнбл. 74 назв.
Редакция радиотехнической литературы
© Издательство «Советское радио», 1974 Г.
Предисловие |
|
|
Генераторы импульсов |
миллисекундного |
диапазона |
применяют в радиолокации, |
радионавигации, |
радиоуп |
равлении и других областях современной |
техники. |
Однако до сего времени в нашей и зарубежной литера туре не было книги, специально посвященной генериро ванию импульсов в названном диапазоне.
Релаксационные генераторы на биполярных транзи сторах нормально работают в микросекундиом диапазо не. Генерированию импульсов в этом диапазоне в основ ном и посвящена вся непериодическая и учебная лите ратура по импульсной технике, изданная в последнее десятилетие. В микросекундиом диапазоне сравнительно легко реализуются прямоугольные импульсы с длитель ностью фронтов, составляющей десятые и даже сотые доли от длительности импульса. Температурная ста бильность схем в микросекундиом диапазоне удовлетво рительная: без применения методов термостабилизации относительная нестабильность генерируемых импульсов в диапазоне изменения температур (—60 ... +60) °С составляет (5 ... 10) %, а в результате применения ме тодов температурной стабилизации снижается до еди ниц и даже до десятых долей процента. Методам созда ния релаксационных генераторов наносекундного диапа зона в последние годы также было посвящено несколько монографий. Миллисекундному же диапазону не было уделено должного внимания. Авторы ставят своей зада чей восполнить указанный пробел.
Книга представляет собой обобщение материалов, опубликованных в нашей стране и за рубежом, включая работы авторов. Она состоит из введения и трех глав. Введение написано авторами совместно, гл. 1 и 2 напи саны '3. П. Важениной, гл. 3 — Э. В. Пудриковым.
Авторы считают своим приятным долгом выразить признательность д. т. и., проф. Я. С. Ицхоки, одобрив шему план-проспект книги, д. т. н., проф. В. Т. Фролкину за ценные советы по плану-проспекту и рукописи книги, д. т. и., проф. Л. М. Гольденбергу за полезные замеча ния, сделанные им при рецензировании книги и к. т. н. В. Н. Галкину за любезно предоставленные некоторые данные по полевым транзисторам.
Отзывы просим направлять в издательство «Совет ское радио» по адресу: г. Москва, Главпочтамт, а/я 693.
Авторы
Введение
Создание релаксационных генераторов видеоимпульсов большой длительности, порядка десятков и сотен миллисекунд, на биполяр ных транзисторах встречает значительные трудности, а в секунд ном диапазоне трудно выполнимо. Это объясняется тем, что дли тельность импульсов этих генераторов определяется задающей /\С-цепыо, где емкость конденсатора С ограничивается его габа ритом, а сопротивление резистора R ограничивается: заданной тем пературной стабильностью; режимом (по постоянному току) траи-
Рис. 0.1. Ждущий мультивибратор с коллекторно-базовыми свя зями:
а — схема; б — временные диаграммы; в — эквивалентная схема перезаряда емкости.
зистора, в базовую цепь которого этот резистор включен; выполне нием условия возбуждения. Для определения наибольшего значения длительности выходного импульса широко распространенной схемы генератора прямоугольных импульсов— ждущего мультивибратора с коллекторно-базовыми связями — проанализируем рис. 0.1,а.
Длительность выходного импульса мультивибратора tn опреде ляется временем перезаряда емкости С. Из эквивалентной схемы перезарядной цепи, изображенной на рис. 0.1,в, видно, что при
4
/ = оо |
(начало |
перезаряда принято за |
t=0) |
ток |
перезаряда емкости |
|
/'с = 0 |
и моа('Оо)=— (Ek+ I koR). К этому значению і/ег(°°) |
стремится |
||||
напряжение на базе транзистора Т2 |
при |
перезаряде конденсатора |
||||
С, изменяясь |
по экспоненциальному |
закону от |
значения |
«бг(0) = |
||
= »с(0) ='Uümi с постоянной времени x=RC |
(см. |
рис. 0.1,6). С уче |
том переноса начала координат в точку Оі закон изменения нвг(0 принимает вид
и6г (Ооі = (^6т2 + E« + IkqR— I ^6н2 D-
При t — in |
|
|
|
Е к + /коR — I e0 1 = |
{U6mi + |
E K+ I „ R - |
I t/6B» I) |
где e0 — напряжение отпирания |
транзистора |
Т2; 7/оП2 — напряже |
|
ние на базе транзистора |
Т2 в |
насыщенном |
состоянии (в ждущем |
состоянии схемы).
Логарифмируя последнее выражение, получаем формулу для определения длительности запертого состояния транзистора Т2:
tu = RC ln /Asm2 4~ Дң 4 ' / KOR |
I //бя2 1 |
|||
|
|
л к + / коR —' I e« I |
||
= RC ln |
/ |
, Ubn* -- |//б п2І~Ь |
I g OI \ |
|
' + |
e s + i mr - u „ | у |
|||
|
||||
Если режим транзистора |
Т1 выбран насыщенным, то |
ta = RC ln
=*= ЯС ln 2
/ко (R + /?,і) Ч~ I //бц2 I — 2 I еаI |
|
+ / коR — I еоI |
] |
/ко (R+ Як.) ~Ь 1//бд2 I -- 2 I 5И].
2£к
Приближение |
в |
последней |
формуле |
справедливо, |
так как |
/ко/?— |<?о| < £ к . |
При [/ко(/?+Які) + I £/оп2 і—2|е0|]/2£к< 1 |
формула |
|||
для определения |
длительности |
импульса |
принимает вид |
|
г'п = RC |
0,7 |
/ко (R + Rкі) + I //бн2 1— 2 I е0 |
|
2£к |
( 0. 1) |
||
|
|
|
|
Так как [/ко(Я+Які) + | і/’епа| —2|ео|]/2£к<0,7, |
то |
||
|
|
4«0,7ЯС. |
(0.2) |
Основное влияние на изменение величины длительности импуль са tк с изменением температуры оказывает обратный ток коллек
торного |
перехода запертого транзистора / к0 (при |
выполнении |
схе |
|
мы на |
германиевых |
транзисторах) и напряжения |
ео и Uваг |
(при |
выполнении схемы на кремниевых транзисторах). |
|
|
||
Абсолютная нестабильность длительности импульса в соответ |
||||
ствии с |
формулой |
(0.1) определяется выражением |
|
|
= *„ - |
1 = {RC/2E«) [(/? + я«,) (/„ѵ - |
/ к0..)+(! І/вн. L - — |
||
U |
12 |
2 |
11 |
Г1 |
|
і //виг I,” ) |
2 (I е0 Іо ■ I е01 .)], |
|
|
|
1 |
2 |
I |
|
5
Где |
/ |
и I |
|
|
— значения обратного тока |
Коллекторного |
перехода |
||||||||
|
К *і |
К 12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
транзистора при температуре tyC н t2 С соответственно, |
причем /2 > |
||||||||||||||
о |
|
и |
I <?01 0 — значения напряжения |
отпирания |
транзистора |
||||||||||
|
I г?0 Ко |
||||||||||||||
Т2‘ |
|
*1 |
|
|
|
*2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при (I С и С, С соответственно; |
| t/s112 | |
= |
п | |
| |
- — |
значения |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 ' |
|
*2 |
|
|
|
напряжения на базе |
насыщенного транзистора |
Т2 при |
С и t2 |
С со |
|||||||||||
ответственно. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Так как |
/ |
|
„ „ > |
/К0 у° ’ |
I ^0 |.° ^ |
\ @0L« 11 I ^бц2 I .*> |
I ^бн2 I, |
то |
||||||
|
|
|
|
к0[ ^ |
■ |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А /„ |
- |
(/ |
— / |
) > |
0, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
2 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Де0 = |
I с0I |
о |
|
I |
|,° |
0 |
п Д |
— (I t/биг |,° |
I £/б1іг | °) <С 0. |
||||||
|
|
|
2 |
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
1 |
|
|
|
При этом формула для Д/„ принимает вид |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
Atn = |
|
(RC/2EK) [(R + RKi) Д/к0 + 2 | Де, | - |
| ДUt n |], |
|
(0.3) |
Коэффициент относительной временной погрешности, характе ризующий температурную нестабильность мультивибратора, опреде ляется выражением
|
|
|
° х = (^ |
и,. |
— t |
|
„)/t |
„ = Д t j t |
|
0. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
и<і |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
С учетом |
(0.2) и (0.3) формула |
для |
сгт |
принимает |
вид |
|
|||||||||||
|
сТт=[(Я+Я„і)Д/.<о+2| ДйоI — J АС/Gпа1]/1,4£ц. |
|
(0.4) |
||||||||||||||
Решая |
выражение |
|
(0.4) |
|
относительно |
|
(R + Rш), |
получаем |
|||||||||
R +^иі —[1,4£і[0т—2 1Ле»I 4- |Д£/си2 І]/Д/ко. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Так как /?,tt примерно в ß раз меньше R, с достаточной |
для |
||||||||||||||||
практических |
расчетов точностью получаем |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
R |
1,4£кСТт-2 (Лео | + |
|Д t/ö.,2 |]/Д/,,-о. |
|
|
(0.5) |
||||||||||
Определим максимальное значение R, задавшись коэффициен |
|||||||||||||||||
том относительной температурной нестабильности от=5% |
в |
диапа |
|||||||||||||||
зоне изменения температур |
(+20 ... +60)°С. |
По |
данным |
[2, |
41], |
||||||||||||
изменения <?о и Uопг в названном температурном диапазоне состав |
|||||||||||||||||
ляют соответственно 2,8 мВ/°С и 2,5 |
мВ/°С, т. е. jAeoI = 2,8 мВ/°СХ |
||||||||||||||||
Х40°=0,112 В и |
I АС/овгІ =2,5 мВ/3С-40°=0,1 |
В. |
|
|
|
|
|||||||||||
Изменение / ко для германиевого транзистора |
МП20А в названном |
||||||||||||||||
температурном |
диапазоне |
|
для |
ккб = — 5 В |
равно |
ДЛю = ^коб0° — |
|||||||||||
— / ко2до= 23 — 2 — 21 мкА. |
|
|
Задаваясь |
значением |
Ек — 5 |
В, |
по |
||||||||||
формуле (0.5) |
находим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ямакс='(1,4 • 5 • 0,05-2 • 0,112+0,1)/21 • 10“ °= 10,7 кОм.
6
В связи с ограничением, налагаемым на величину R M.-utc, за данную длительность импульса At реализуют за счет применения больших значении хронирующей емкости. Ограничивающим факто ром при выборе емкости С является габарит конденсатора. Можно было бы использовать электролитические конденсаторы, позволяю щие при небольшом габарите реализовать значительные величины емкостей, однако использование электролитических конденсаторов в хронирующих цепях приводит к низкой температурной и времен ной стабильности [23]. Поэтому в современных миниатюрных и мик роминиатюрных конструкциях емкость времязадагощего конденса тора С при использовании навесных элементов ограничивается ве личиной 0,1 мкФ, а при использовании интегральных схем техноло гические возможности ограничивают максимальное значение емко
сти величиной 10 000 пФ. |
|
10,7 кОм вели |
||||
При |
С=0,1 |
мкФ и при найденном значении |
||||
чина |
А,, |
определенная по формуле (0.2), составляет |
|
|||
|
|
Аі макс=0,7- 10,7- ІО3-0,1 • 10-°=749 |
мкс, |
|
||
а при |
значении |
С= 10 000 пФ t„ Мцкс=74,49 |
мкс. |
Поэтому |
генера |
|
торы |
импульсов |
на биполярных германиевых |
транзисторах |
относят |
к классу схем микросекуидного диапазона. Даже если не предъяв ляется высоких требований к температурной стабильности схемы, например если допустимое значение от= Ю%, то и в этом случае
расчет по |
формулам (0,5) и (0.2) дает значения 7?Макс=27,4 кОм, |
|
Аі микс = |
1,92 мс при С='0,1 мкФ и А, = 192 мкс при С= 10000 пФ. |
|
Таким образом, |
при выполнении схемы на германиевых тран |
|
зисторах |
первый из |
названных в начале введения ограничивающих |
факторов—заданная температурная стабильность — позволяет ис пользовать значения /?^30 кОм. При этих значениях хронирующего сопротивления легко выполняется условие насыщения второго тран
зистора R < ß/?K2 |
при любых значениях Ди2>/?к2мип=£кДк мпкс доп- |
||||
Это означает, что второе ограничение |
иа |
выбор величины |
R — ре |
||
жим транзистора |
по постоянному току — при расчете схем |
на |
гер |
||
маниевых транзисторах можно не пшінимать во внимание. |
А. |
при |
|||
Значительно |
большие значения R, |
а |
следовательно, и |
заданной температурной стабильности можно' получить при расчете схемы мультивибратора на кремниевых транзисторах, так как для
них изменение / ко |
в |
рассматриваемом |
температурном |
диапазоне |
|||
значительно меньше, чем для германиевых транзисторов. |
|
|
|||||
Например, для транзистора МГЦ 14 |
(рис. 0.2) |
при |
= — 5 В |
||||
Д/к0 — / к0 |
— Гк т *= |
0,1—0,01=0,09 мкА. Расчет по формуле (0.5) |
|||||
для ггт= 5% |
и Е„=5 В дает значение |
Р Мпкс=2,5 |
МОм. Найденное |
||||
значение R при емкости С=0,1 мкФ позволяет |
определить, |
поль |
|||||
зуясь формулой |
(0.2), |
величину Аімпис = 175 |
мс, а |
при |
С— |
||
= 10 000 пФ — величину |
Аі микс = 17,5 мс, т. е. при значениях |
емко |
сти С, оговоренных выше, максимальная величина длительности им пульса определяется десятками и сотнями миллисекунд. Таким об разом, на кремниевых транзисторах, казалось бы, можно было соз давать генераторы импульсов миллисекундного диапазона с дли тельностью импульсов до 100 мс, тем более что при пленочной технологии изготовления резисторов в гибридных интегральных схе мах максимальная величина сопротивления резисторов достигает значения 3 ... 5 МОм. Однако реализовать эти значения по схеме
7
|
|
|
рис. 0.1 не удается, так как для |
|||||||
|
|
|
выполнения |
условия |
насыще |
|||||
|
|
|
ния транзистора Т2 необходи |
|||||||
|
|
|
мо выполнить условие 7?<ß-Plt2 |
|||||||
|
|
|
(второй фактор, ограничиваю |
|||||||
|
|
|
щий |
|
величину |
хронирующего |
||||
|
|
|
сопротивления R). Значения ß |
|||||||
|
|
|
кремниевых |
транзисторов мень |
||||||
|
|
|
ше, чем германиевых (напри |
|||||||
|
|
|
мер, |
ß=9 для |
МП114), |
и для |
||||
|
|
|
выполнения |
написанного |
нера |
|||||
|
|
|
венства потребовалось |
бы при |
||||||
|
|
|
7?=2,5 |
МОм |
брать |
значение |
||||
|
|
|
Rk2 в несколько сотен килоом, |
|||||||
|
|
|
что привело бы к значительно |
|||||||
|
|
|
му ухудшению формы генери |
|||||||
|
|
|
руемых импульсов из-за увели |
|||||||
|
|
|
чения |
длительностей фронта и |
||||||
Рис. 0.2. Типовая зависимость |
среза. Поэтому, как и на гер |
|||||||||
маниевых транзисторах, |
в схе |
|||||||||
/ к о = ф (*°С) |
германиевого |
транзи |
||||||||
мах |
|
мультивибраторов |
на |
|||||||
стора МП20А и кремниевых тран |
|
|||||||||
кремниевых транзисторах 'зна |
||||||||||
зисторов МП111-5-МП116 |
от тем |
|||||||||
чение |
R берут не более 50 кОм, |
|||||||||
пературы |
окружающей |
среды |
||||||||
т. е. |
|
реализуют схемы |
толь |
|||||||
|
[30]. |
|
в |
|||||||
|
|
ко |
микросекундиом |
диапа |
||||||
Методы |
|
|
зоне! |
|
на биполярных |
транзи |
||||
реализации импульсных схем |
сторах в миллисекундном диапазоне с учетом первого п второго факторов, ограничивающих величину /?мав{:, изложены в гл. 1.
Рассмотрим подробнее третье ограничение, накладываемое на выбор значения RмаксНа рис. 0.3 изображена эквивалентная схе-
Рис. 0.3. Эквивалентная |
схема мультивибратора |
в момент возбуж |
||
|
|
дения. |
|
|
ма мультивибратора |
в |
момент возбуждения |
(/(; — коэффициент |
|
усиления по току, гпх и г0Ых — входное и выходное |
сопротивления, |
|||
Rя —сопротивление |
нагрузки). Токи открываемого |
каскада в мо |
||
мент возбуждения составляют |
|
|
||
|
|
^ВХ ІВ--б/в/(1?~ЬГі)Х| |
|
( 0 .0 ) |
Ліьіхіа—-Kil/ßXlD — UthnHR + raxl). |
(0.7) |
8