Формирователи и генераторы линейно изменяющегося напряжения (ЛИН).

К ним относят импульсные устройства, преобразующие входной импульс прямоугольной формы в выходной импульс линейно нарастающего или линейно падающего напряжения той же длительности. В формирователях обычно не используются положительные обратные связи и режим самовозбуждения, тогда как в генераторах ЛИН (ждущих или автоколебательных) временные параметры выходных сигналов зависят только от параметров схемы и не зависят от входного сигнала.

Часто генераторы ЛИН строят на конденсаторе, через который протекает постоянный ток в течение заданного интервала времени . Схема такого формирователя содержит ключ К (рис. 8.33) для разряда конденсатора и восстановления начальных условий формирователя.

Управляющий сигнал в момент размыкает ключ, и ток протекает через конденсатор С, на котором формируется выходной сигнал

где при имеем , т. e. выходное напряжение нарастает по линейному закону. В момент ключ вновь замыкается, и выходное напряжение от максимального скачком падает до .

В качестве ключа можно использовать один из вариантов транзисторного электронного ключа, рассмотренных в гл. 4, а в качестве источника тока транзисторный генератор стабильного тока . На рис. 8.34 показана схема формнрователя на биполярных транзисторах.

Рис. 8.34.

В качестве ключа используется транзистор , а ГСТ выполнен на транзисторе .

В исходном состоянии транзистор насыщен током базы, протекающим через резистор . Транзистор подключен к параметрическому стабилизатору на стабилитроне VD и балластном резисторе . Благодаря стабилитрону с напряжением стабилизации разность потенциалов и практически не зависит от колебаний напряжения питания . В коллекторной цепи транзистора протекает постоянный ток

где коэффициент передачи по току транзистора .

Ток в исходном состоянии должен замыкаться через насыщенный транзистор . Для насыщения транзистора в его базе должен протекать ток

где — коэффициент насыщения транзистора — минимальный допустимый коэффициент усиления транзистора по току.

Напряжение коллектор — эмиттер насыщенного транзистора определяет начальное напмжрнпе («пьедестал») выходного сигнала .

В момент на базу транзистора поступает запираюций импульс, и в момент транзистор переходит в режии отсечки. Время выключения тем меньше, чем больше амплитуда входного импульса . Ток в момент переключается в цепь конденсатора и на нем формируется ЛИН до амплитудного значения

На интервале транзистор должен быть надежно заперт, для чего необходимо выполнить условие . Время определяет максимальную длительность ЛИН, ограниченную переходом транзистора в режим насыщения

В момент транзистор отпирается и конденсатор разряжается через него. Длительность разряда конденсатора составляет время восстановления схемы , которое зависит от коэффициента насыщения транзистора :

Из соотношения (8.56) для требуемого времени восстановления находят коэффициент насыщения и затем по формуле (8.55) — сопротивление резистора . Качество формирователя ЛИН определяется линейностью выходного сигнала во времени. В рассмотренной схеме нелинейность выходного сигнала завиеит от нестабильности тока при изменении напряжения коллектор — база транзистора и ответвления части тока в нагрузку. Зависимость тока от напряжения весьма слаба, поэтому коэффициент нелинейности

при не превышает ,

Недостаток формирователя — низкая нагрузочная способность, обусловленная ростом v с уменьшением сопротивления нагрузки . Практически это означает, что нагрузку к формирователю можио подключить только через буферный каскад (эмиттерный или иетоковый повторитель). Некоторые схемы формирователей ЛИН включают в себя в качестве выходных каскадов эмиттерные повторители, имеющие большое входное и малое выходное сопротивления.

В схеме формирователя ЛИН на рис. 8.35,а эмиттерный повторитель на транзисторе передает на нагрузку напряжение с конденсатора С. Линейность нарастания напряжения на конденсаторе С обеспечивается параллельной положительной обратной связью по напряжению через конденсатор . Транзистор VT1 выполняет роль разрядного ключа. В исходном состоянии транзистор насыщен с коэффициентом насыщения током базы при условии

где — напряжение на коллекторе транзистора в режиме насыщения;

где — минимально допустимый коэффициент усиления по току транзистора .

Через резистор R и открытый транзистор VT1 протекает ток . Начальное напряжение на конденсаторе через эмиттерный повторитель передастся на выход формирователя со смещением потенциала на величину . Транзистор находится в активном режиме благодаря источнику эмиттерного смещения . Конденсатор заряжен до напряжения .

Входной импульс отрицательной полярности через конденсатор поступает на базу , через время заряд неосновных носителей в его базе рекомбинирует и транзистор переходит в режим отсечки.

Рис. 8.35.

Ток переключается в цепь конденсатора С В начинается его заряд. Положительное приращение напряжения на конденсаторе С через эмиттерный повторитель и конденсатор практически без потерь передается в точку соединения резистора R и диода VD (точка А). Благодаря такой обратной связи диод VD запирается, на резисторе R за счет энергии конденсатора поддерживается постоянная разность потенциалов и, следовательно, . Поэтому на конденсаторе С формируется ЛИН, которое повторяется на выходе формирователя

Напряжение в точке А повторяет функцию времени (8.57) со смещением на (рис. ). Емкость конденсатора должна быть достаточно большой, чтобы за время формирования ЛИН ее разрядом можно было пренебречь. Напряжение на конденсаторе С может нарастать до отпирання коллекторного перехода транзистора , т. е. не более чем до Следовательно, длительность ЛИН определяется входным сигналом, но как это видно из формулы (8.57), не превышает так как в противном случае ЛИН искажается за счет ограничения.

По заднему фронту входного сигнала транзистор переключается из режима отсечки в активный и конденсатор С разряжается через него за время .

Достоинствами формирователя на рис. 8.35 являются хорошая нагрузочная способность и максимальное использование вапряжения коллекторного питания . К недостаткам следует отнести несколько худшую линейность выходного сигнала, чем в схеме на рис. 8.34, и необходимость конденсатора большой емкости, затрудняющей задачу микроминиатюризации.

С точки зрения микроминиатюризации и коэффициента нелинейных искажений v выгодно отличаются формирователи ЛИН на основе ОУ. Благодаря большому коэффициенту усиления напряжения ОУ, охваченные емкостной отрицательной обратной связью (рис. 8.36,а), представляют собой близкие к идеальным интеграторы.

Рис. 8.36.

Поэтому при подаче на вход интегратора постоянного уровня напряжения на его выходе формируется ЛИН

(8.58)

где — начальное выходное напряжение; .

Режимом работы формирователя управляет ключ на МДП-транзисторе VT. В исходном состоянии транзистор открыт (находится в триодном режиме) напряжением тивление канала закорачивает конденсатор С. На выходе ОУ поддерживается постоянный уровень

Обычно сопротивление резистора R и канала устанавливают так, чтобы . Если управляющий сигнал в момент (рис. 8.36, б) переключается до уровня , транзистор VT запирается, и начинается процесс интегрирования, который с учетом формулы (8.59) описывается выражением (8.58). ЛИН формируется с малыми искажениями ( при ) в пределах динамического диапазона выходного напряжения ОУ. За время входного импульса к моменту ЛИН достигает амплитудного значения , которое должно удовлетворять условию где — уровни ограничения выходного напряжения ОУ.

В момент транзистор VT отпирается, конденсатор С разряжается через него, и схема переключается в режим масштабного усилителя с . Время восстановления начальных условии интегратора приближенно можно определить как

Изменять крутизну ЛИН можно потенциометром , сопротивление которого обычно , или внешним источником напряжения

Достоинства формирователя ЛИН на ОУ — простота схемы; хорошая нагрузочная способность; высокая линейность выходного сигнала; простота перестройки крутизны ЛИН, которая легко выполняется подачей напряжения от других функциональных узлов; большой динамический диапазон выходных сигналов; малое потребление энергии. К недостатку следует отнести большое время восстановления , зависящее от и свойств разрядного транзистора VT (или другого ключевого элемента)

Генераторы ЛИН строят по регенеративной схеме с использованием положительной обратной связи, например, схема на рис 8.32, либо на основе сочетания одновибратора или мультивибратора и управляемого им формирователя ЛИН. Второй способ позволяет раздельно регулировать временные параметры ЛИН в задающем генераторе и крутизну ЛИН в формирователе.