Расчет генераторов прямоугольных импульсов

Генераторы импульсов

В импульсных генераторах периодические изменения электрического тока и напряжения возникают без приложения дополнительного периодического сигнала или при его воздействии. Генераторы, которые работают без дополнительного воздействия, называются автоколебательными генераторами, а те, для работы которых оно необходимо - ждущими. Классификация генераторов импульсов может осуществляться по многим признакам, таким как:

1. Способ возбуждения. Согласно данному признаку импульсные генераторы делятся на генераторы с самовозбуждением, с внешним возбуждением и синхронизируемые импульсные генераторы.
2. Форма вырабатываемых импульсов. Согласно данному признаку импульсные генераторы делятся на генераторы прямоугольных и пилообразных импульсов, а также генераторы импульсов специальной формы.
3. Способ создания положительной обратной связи. Согласно данному признаку импульсные генераторы делятся на генераторы с фазопереворачивающей трансформаторной положительной обратной связью и генераторы с резисторно-емкостной фазосдвигающей положительной обратной связью.
4. Тип активного элемента. Согласно данному признаку импульсные генераторы делятся на ламповые, интегральные и транзисторные.

Самовозбуждающиеся генераторы имеют два неустойчивых состояния равновесия, в течении которых напряжения и токи медленно меняются. Неустойчивое состояние заканчивается лавинообразным процессом опрокидывание схемы, то есть переходом схемы в новое неустойчивое состояние. Генераторы с внешним возбуждением имеют одно неустойчивое состояние, а второе является устойчивым. Синхронизирующие генераторы импульсов способны получать специальные сигналы синхронизации, благодаря которым можно задать частоту следования выходных импульсов вне зависимости от параметров и характеристик генератора, что способствует преждевременному опрокидыванию схемы. Все перечисленные режимы возможны только при условии, что выполняется начальное условие самовозбуждения схемы.

Расчет генераторов прямоугольных импульсов

Рассмотрим схему автоколебательного мультивибратора на биполярных транзисторах, которая представлена на рисунке ниже.

Рисунок 1. Схема автоколебательного мультивибратора на биполярных транзисторах. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Предположим, что исходными данными будут уровень выходного сигнала, скважность и период. Расчет начинается с выбора напряжения источника питания. Если мультивибратор работает вместе с ТТЛ-микросхемами, то напряжение принимается Е = +5, а если в рассматриваемом устройстве используются КМОП-микросхемы, выбирается Е = +9. После этого выбирается сопротивление коллекторных резисторов. Если применяется КМОП-уровень, то принимается R1 = R4 = (10 - 20) кОм. А если необходимо обеспечивать ТТЛ-уровень, то R1 = R4 = (1 - 2) кОм. Максимальный коллекторный электрический ток транзисторов рассчитывается по следующей формуле:

$Ikmax = E/R1$

где Е - напряжение источника питания.

Теперь необходимо выбрать тип транзистора, параметры и характеристики которого удовлетворяют следующим условиям:

$Uкэдоп > Е$

$Iкдоп > Ikmax$

$fгр >1 0/T$

где: Uкэдо - максимальное допустимое напряжение коллектор-эмиттер; Ikдоп - максимальный допустимый коллекторный ток; fгр - граничная частота коэффициента передачи по электрическому току.

Следующими параметрами, которые необходимо рассчитать, являются пауза между импульсами и длительность импульсов.

$tu=tэт$

$T=Q*tu$

$tn=T-tu$

где: tu - длительность генерируемых импульсов; Т - период; Q - скважность; tn - продолжительность пауз между импульсами.

Теперь выбираются емкости конденсаторов рассматриваемого автоколебательного мультивбратора:

$С1 = С2 ⩾ (5-10)*(Ck+Cм)$

где: С1 и С2 - емкость конденсаторов мультивибратора; Ск - емкость коллекторного перехода транзистора; См - емкость монтажа.

Длительность фронта выходных импульсов рассчитывается следующим образом:

$tф = 3*R4*C2$

Полученное значение продолжительность фронта выходных импульсов должно удовлетворять условию:

$tф ⩽ tu /(3-5)$

Теперь рассчитываем сопротивление базовых резисторов:

$R3 = tu /(0.7*C1)$

$R2 = tn / (0.7*C2)$

После расчета сопротивлений выбирается значение из стандартного ряда сопротивлений (по справочнику). Затем проверяется выполнение условия насыщения транзисторов следующим образом:

$R3⩽ (h21эмин-2)*R4$

$R2⩽ (h21эмин-2)*R1 $

где h21эмин - самое маленькое значение коэффициента передачи по электрическому ток для выбранного транзистора.

В том случае, когда хотя бы одно из условий не выполняется, необходимо выбрать либо большую емкость конденсаторов, либо транзистор с большим коэффициентом передачи по току, а затем заново рассчитать сопротивления R2 и R3.