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

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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 + + 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 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 12 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