Транзисторный двухтактный формирователь однополярных прямоугольных импульсов

Предлагаемое устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в различных функциональных модулях радиотехнических систем, где требуется формирование однополярных сигналов прямоугольной формы из колебаний квазигармонической формы для работы последующих логических схем. При этом низкий и высокий уровни импульсов должны быть не более и не менее соответствующих уровней логического «0» и логической «1».
Известно устройство, представленное на стр. 196 рис. 10.13 в книге Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов.-3-е изд.- М., 2005, построенное с использованием комплементарной пары транзисторов. Устройство может быть использовано без выходного разделительного конденсатора в качестве формирователя однополярных импульсов при подаче на вход синусоидального сигнала. Однако из-за отличий характеристик транзисторов будет иметь место асимметрия выходных импульсов относительно среднего значения напряжения (половины напряжения источника питания) в сторону логического «0» или логической «1». Кроме того, из-за включения транзисторов по схеме с общим коллектором (коллекторы непосредственно или через источник питания соединены с общей шиной), т. е. по схеме повторителей, для получения выходных импульсов необходима подача на вход высоких уровней входного сигнала.
Известен также транзисторный формирователь однополярных импульсов по а.с. № 291323, в котором для обеспечения симметрии логических уровней «0» и «1» относительно среднего уровня имеется только начальная, ручная балансировка моста, что не гарантирует поддержания этой симметрии в условиях работы. Недостаток этого устройства – сложность и низкая надежность работы из-за отсутствия автоматической балансировки моста в процессе работы.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому выбран двухтактный бестрансформаторный усилитель двухполярных сигналов на транзисторах с разным типом проводимости, пригодный и для формирования однополярных импульсов при однополярном питании, электрическая схема которого изображена на стр.137 рис.8.4(б) в книге Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов.-3-е изд.- М., 2005, принятый за прототип.
Электрическая схема устройства-прототипа с однополярным питанием изображена на фиг. 1, где обозначено:
R1, R2, R3, R4 – резисторы, задающие рабочие точки (РТ) транзисторов;
VT1, VT2 – n-p-n и p-n-p биполярные транзисторы соответственно;
С1 – разделительный конденсатор;
Еп – источник питающего напряжения.
Устройство-прототип содержит делитель напряжения из последовательно соединенных резисторов R1 – R4, причем база транзистора VT1 подключена к точке соединения резисторов R3 и R4, а база транзистора VT2 подключена к точке соединения резисторов R1 и R2, коллектор VT1 подключен к источнику питающего напряжения Еп, коллектор VT2 подключен к общей шине. Эмиттеры обоих транзисторов
VT1 и VT2 соединены с выходом устройства. Вход устройства подключен через конденсатор C1 к точке соединения резисторов R2 и R3.
Устройство-прототип работает следующим образом. Подаваемое на вход переменное напряжение Uвх изменяет начальное смещение транзисторов VT1, VT2, включенных по схеме с общим коллектором, что приводит к изменению выходного напряжения Uвых пропорционально входному. При больших значениях входного напряжения происходит ограничение выходного сигнала до прямоугольной формы, при этом в связи с тем, что транзисторы VT1 и VT2 работают как повторители напряжения, уровень входного напряжения должен превышать уровень выходных импульсов.
Недостатком устройства-прототипа является то, что при использовании его для формирования однополярных импульсов, вследствие неидеальной комплементарности биполярных транзисторов VT1 и VT2 в той же мере имеет место асимметрия выходных импульсов относительно среднего уровня, что может приводить к неправильной работе последующего логического устройства.
Задача заключается в устранении дрейфа логических уровней выходного напряжения, вызванного неидеальной комплементарностью биполярных транзисторов, причем с возможностью работы устройства от более слабых входных сигналов.
Для решения поставленной задачи в двухтактный формирователь однополярных прямоугольных импульсов, содержащий первый n-p-n и второй p-n-p биполярные транзисторы, делитель напряжения из четырех последовательно соединенных резисторов, а также источник питающего напряжения, при этом база первого биполярного транзистора подключена к точке соединения третьего и четвертого резисторов; база второго биполярного транзистора подключена к точке соединения первого и второго резисторов; один вывод первого конденсатора подключен к входу формирователя, согласно полезной модели, введены второй и третий конденсаторы и пятый резистор, один вывод которого подключен к точке соединения второго, третьего резисторов и третьего конденсатора, а другой вывод – к точке соединения коллекторов обоих транзисторов, являющейся выходом формирователя; второй конденсатор включен между входом формирователя и точкой соединения третьего и четвертого резисторов, причем другой вывод четвертого резистора соединен с точкой соединения эмиттера первого биполярного транзистора и общей шиной; эмиттер второго транзистора соединен с точкой соединения источника питающего напряжения и другого вывода первого резистора; другой вывод первого конденсатора подсоединен к базе второго транзистора, другой вывод третьего конденсатора подключен к общей шине.
Электрическая схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 2, где обозначено:
R1, R2, R3, R4 – резисторы, задающие рабочие точки (РТ) транзисторов;
R5 – резистор отрицательной обратной связи по постоянному току;
VT1, VT2 – n-p-n и p-n-p биполярные транзисторы соответственно;
С1, C2 – первый и второй разделительные конденсаторы;
С3 – блокировочный конденсатор;
Еп – источник питающего напряжения.
Предлагаемое устройство содержит делитель напряжения из последовательно соединенных резисторов R1 – R4, причем база биполярного транзистора VT2 подключена к точке соединения резисторов R1 и R2, а база биполярного транзистора VT1 подключена к точке
П
соединения резисторов R3 и R4, другой вывод которого соединен с общей шиной и эмиттером транзистора VT1. Эмиттер транзистора VT2 подключен к источнику питающего напряжения Е и другому выводу резистора R1. Коллекторы обоих транзисторов соединены с выходом устройства и через резистор отрицательной обратной связи по постоянному току R5 – с точкой соединения резисторов R2 и R3 и блокировочного конденсатора С3, другой вывод которого подключен к общей шине. Вход устройства через конденсаторы C1 и С2 подсоединен к точкам соединения резисторов R1 и R2, и R3 и R4 соответственно.
П
Так как эмиттер транзистора VT2 соединен с общей шиной через источник питающего напряжения Е, то включение обоих транзисторов осуществлено по схеме с общим эмиттером, что позволяет формирователю работать от более слабых входных сигналов.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
П
Делители напряжения из резисторов R1, R2, R3, R4, выбранные из равенств R1=R4 и R2=R3, в точке соединения резисторов R2 и R3 формируют опорное напряжение, равное половине напряжения источника питающего напряжения Е.
П
За счет протекания тока через резистор отрицательной обратной связи R5 в ту или иную сторону, на выходе устройства поддерживается уровень напряжения, близкий к опорному, и при подаче достаточного уровня входного напряжения, напряжение на выходе формирователя меняется от среднего значения (равного половине напряжения источника питающего напряжения Е) к уровню логического «0» или к уровню логической «1» в зависимости от полярности входного напряжения.
Таким образом, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом за счет введения цепи отрицательной обратной связи по постоянному току из резистора R5, блокировочного конденсатора C3 и включения биполярных транзисторов VT1, VT2 по схеме с общим эмиттером, достигается надежное обеспечение уровней логический «0» и логическая «1» выходных импульсов при разбросе параметров транзисторов и появляется возможность работы формирователя от низких уровней входного синусоидального сигнала.
Транзисторы VT1 и VT2 могут быть реализованы, например, на n-p-n и p-n-p транзисторах 2Т3202А9 и 2Т3191А9 соответственно; резисторы R1=R4 и R2=R3 – с номиналами 1 кОм и 1.8 кОм соответственно; резистор R5 номиналом 470 Ом; конденсаторы C1, C2, C3 с номиналами 1500 пФ. Предлагаемое устройство обеспечивает формирование однополярных выходных импульсов с логическими уровнями КМОП логики при напряжении питания 5В и уровне входного синусоидального сигнала 200 мВ, вплоть до частот 500 МГц.