Генераторы линейно изменяющегося напряжения

Генераторы линейно изменяющегося напряжения служат для создания развертки электронного луча по экрану электронно-лучевых приборов, получения временных задержек импульсных сигналов, модуляции импульсов по длительности и т. д. Находят применение напряжения, изменяющиеся по линейному закону как при одной (положительной или отрицательной) полярности, так и при обеих полярностях.

Линейно изменяющееся напряжение (рис. 3.12) характеризуется максимальным значением U_m, длительностью рабочего хода t_р, временем обратного хода t₀ и коэффициентом нелинейности:

где u'(0), u'(t_p) — скорости изменения напряжения во времени (производные) соответственно в начале и в конце рабочего участка.

Формирование линейно изменяющегося (п и л о о б р а з и о г о) напряжения основано на чередовании во времени процессов заряда и разряда конденсатора.

Простейшая схема генератора, в котором для получения линейно изменяющегося напряжения используют начальный участок экспонен­циального заряда конденсатора, приведена на рис. 3.13, а. Функцию элемента, создающего цепь для быстрого разряда конденсатора, вы­полняет транзистор.

Разряд конденсатора и поддержание на нем напряжения, близкого к нулю, происходит в интервалах паузы t_n входного сигнала (рис. 3.13, б, в), когда транзистор Т находится в режиме насыщения. Открытое состояние обеспечивается протеканием тока базы через резистор R_б Линейно изменяющееся напряжение формируется, ког­да транзистор заперт входным импульсом напряжения отрицательной полярности длительностью t_p.

Характер изменения напряжения на конденсаторе, при закрытом транзисторе (считаем l_k0≈0)подчиняется закону:

где т = CR_K — постоянная времени зарядной цепи, выбираемая мно­го больше времени t_p.

Поскольку для конденсатора du_с/dt= i_c/C, коэффициент нелиней­ности (3.32) может быть найден по значениям тока конденсатора в на­чале и в конце рабочего участка:

Для рассматриваемого случая l(0)= E_k/R_K, I(t_p)=(Е_к-U_m)/R_K, откуда е = U_m/E_K.

В соответствии с выражением (3.34) идеальной линейности форми­руемого напряжения (е = 0) соответствует процесс заряда конденса­тора на интервале t_p неизменным током. Неизменный зарядный ток обеспечивают применением в цепи заряда конденсатора токостабнли- зирующего элемента, функцию которого обычно выполняет транзи­стор, включенный по схеме ОБ (или ОЭ). Принцип токовой стабили­зации основывается на свойстве коллекторных характеристик тран­зистора, согласно которому коллекторный ток (ток заряда конденса­тора) слабо зависит при заданном токе эмиттера (базы) от напряжения на транзисторе. Схемы с неизменным зарядным током позволяют пол­нее использовать напряжение питания при формировании линейно

изменяющегося напряжения. Напряжение U_m здесь близко к E_k в то же время коэффициент е достаточно мал.

Пример построения схемы генератора приведен на рис. 3.13, г. Постоянство зарядного тока достигается с помощью транзистора Т₂, включенного по схеме ОБ. Стабилитрон Д₁, и резистор R_б обеспечи­вают постоянство напряжения на базе транзистора Т₂. Резистор R_Э задает его ток эмиттера l_Э2 = (E_k - U_CT - Uэ_б2)/ R_э соответствен­но ток заряда конденсатора (ток коллектора) і_Сзар = I_к2 = а₂I_э2

На интервале t_p (рис. 3.13, б) открытого состояния транзистора T₁, через него протекает ток I_{к 2}, напряжение на конденсаторе С близ­ко к нулю. На интервале t_р, когда транзистор T₁ закрыт, ток I_k2 обус­ловливает ток i_Сзаp заряда конденсатора. При неизменном токе I_к2

напряжение на конденсаторе

линейно изменяется во времени. Отношение I _к2^/С выбирают, исходя из требуе­мого значения U_m. При U_m≈E_k имеем I_k2/C = E_k/t_p

В рассмотренных схемах нагрузка подключается непосредствен­но к конденсатору. При наличии нагрузки ток конденсатора на ин­тервале равен разности токов заряда по цепи источника питания и разряда на нагрузку. Если учесть, что ток разряда возрастает по ме­ре повышения напряжения, то результирующий ток конденсатора будет меньше, а его закон изменения будет отличаться от режима хо­лостого хода генератора. В схеме рис. 3.13, г, в частности, это при­водит к нарушению постоянства тока конденсатора на интервале t_p. Подключение нагрузки сказывается на уменьшении амплитуды U_m формируемого напряжения и ухудшении его линейности. В связи с этим указанные схемы находят применение при высокоомной нагрузке, оказывающей малое шунтирующее действие па конденсатор (когда ток его разряда на нагрузку непосредственной связи конденсатора с нагрузкой, либо схемы, обеспечивающие компенсацию воздействия нагрузки.

В настоящее время генераторы с малым значением коэффициента нелинейности (е< 0,01) и слабым влиянием нагрузки на форму выход­ного напряжения создаются с использованием операционных усилителеи. В частности, распространены генераторы на основе интегратора, управляемого входным импульсом напряжения прямоугольной фор­мы (см. рис. 2.52, а).

Высокую линейность пилообразного напряжения позволяет обес­печить схема, приведенная па рис. 3.14, а. Генератор выполнен на основе схемы рис. 3.13, а. Элементами схемы рис. 3.14, а являются источник питания Е_а, зарядный резистор R_a, конденсатор С и разряд­ный транзистор Т. Выходное напряжение генератора представляет собой усиленное операционным усилителем напряжение на конден­саторе, ОУ охвачен отрицательной (резистор R₂, а также резистор R₁ и источник питания Е₀) и положительной (резистор обратными связями.

Управление работой генератора производится транзистором T осуществляющим разряд конденсатора до нуля и обеспечивающим

малое время обратного хода t₀ формируемого напряжения. Эта функ­ция часто возлагается на интегральный транзистор специальной серии микросхем (например, К101) с падением напряжения в открытом со­стоянии 50—300 мкВ. Длительность открытого состояния транзисто­ра Т определяется длительностью t_п входного импульса напряжения поло­жительной полярности (рис. 3.14,6). Вид кривых напряжений на конден­саторе и на выходе схемы показан на рис. 3.14, в, г.

Рассмотрим процессы, протекаю­щие в схеме при формировании ли­нейно изменяющегося напряжения.

На интервале t_п ОУ работает в линейном режиме. Если принять для ОУ u = 0, то напряжение u_(-) = u_с = u₍₊₎ и для цепи обратной связи по инвертирующему входу можно запи­сать следующее уравнение для токов:

Характер изменения во времени напряжения на конденсаторе зависит от соотношений сопротивлении резисторов, определяющих сомножитель второго члена левой части уравнения (3.37). При R₃ > (R₁R₄)/R₂ и R₃< (R₁R₄)/R₂ кривая напряжения u_с получается соответственно вогнутой или выпуклой формы, а при

R₂/R₁=R₄/R₃ (3.38)

напряжение на конденсаторе изменяется во времени по линейному закону:

С учетом условия (3.38) имеем:

Откуда E_a>E₀.

Условие (3.38) обычно выполняют при соблюдении равенства:

R₁= R₃; R₂= R₄ (3.41)

Это необходимо для выравнивания входных сопротивлений ОУ по обоим его входам.

При линейном характере изменения напряжения на конденсаторе выходное напряжение также будет изменяться по линейному закону. При Ео = 0 формируется выходное напряжение, как и напряжение u_с (рис. 3.14, в), имеющее вид «пилы» положительной полярности.

Если нужно получить выходное напряжение, изменяющееся по линейному закону при обеих полярностях (рис. 3.14, г), то E₀ выбира­ют по требуемому значению начального напряжения на выходе гене­ратора u(0), соответствующему u₀ = 0. Так, для получения макси­мального значения U_m пилообразного напряжения начальной вели­чине u_вых будет отвечать напряжение ОУ u(0) = U^-_выхmax (рис. 3.14, г). Из выражения (3.35) при u_с = 0 находим

Напряжению на выходе по окончании интервала t_р при этом долж­но соответствовать напряжение U⁺_выхmax. Из выражения (3.35) с учетом условия (3.42) находим отношение сопротивлений резисторов в зависимости от максимального напряжения U_Cmax на конденсаторе (рис. 3.14, в):

Максимальное напряжение на конденсаторе U_cmax связано с длительностью t_p зависимостью, получаемой из выражения (3.40):

Параметры элементов схемы будут определены, если для требуе­мых значенийt_p,U_m выбрать R₃, Е_a и U_c max. СопротивленияR₁= R₃ выбирают в 3—5 раз меньшими входных сопротивлений ОУ для исключения влияния их нестабильности на работу схемы. Функцию

Eа обычно выполняет источник питания ОУ + E_к2. Напряжение U_c max целесообразно выбирать минимальным, чтобы исключить влия­ние разброса параметров используемых резисторов на коэффициент нелинейности формируемого напряжения. Вместе с тем напряжение U_c max должно быть много больше напряжения на открытом транзи­сторе Т. определяющем уровень начального напряжения на конден­саторе. Вполне удовлетворительным считается выбор U_c max = 0,3/1 B

I В.

Расчет параметров элементов схемы производят в такой последо­вательности.

По выбранным Uс max и R₁ = R₃ находят R₂ = R₄ и отношение R₂/ R₁=R₄/R₃ (3.43). которые используют для определения Е₀ по выражению (3.42). Напряжение E₀, необходимое для получе­ния требуемого значения U_m, создается с помощью делителя с при­менением источников питания ОУ. Затем из соотношения (3.45) на­ходят емкость конденсатора С.