ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК H03K5/01 

Изобретение относится к области радиотехнике и может быть использовано в оптической лазерной связи.

Одним из наиболее известных способов формирования импульсных сигналов на большой емкостной нагрузке является использование пары мощных МДП-транзисторов с каналом одного типа, включенных по двухтактной схеме. Один из транзисторов работает как истоковый повторитель и является источником зарядного тока, второй - как каскад с общим истоком и является источником разрядного тока. Управление мощным МДП-транзистором, включенным по схеме с общим истоком не вызывает затруднений, управление мощным МДП-транзистором, включенным по схеме истокового повторителя более сложно. Так в схеме, приведенной в статье Бачурина В. В. и др. Формирователи сильноточных наносекундных импульсов на мощных МДП-транзисторах с вертикальным каналом в журнале "Приборы и техника эксперимента" N 5, 1984, с. 105, управление двухтактным ключом на мощных МДП-транзисторах посредством дифференциального усилителя неэффективно, так как для мощного МДП-транзистора, включенного как истоковый повторитель, нельзя получить напряжение затвор - исток, достаточное для его полного отпирания. Кроме того, через дифференциальный каскад постоянно протекает ток, что приводит к неоправданному увеличению потребляемой от источника питания мощности и чрезмерному нагреву одного из компонентов схемы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство, реализующее способу управления истоковым повторителем с помощью бутстрепного каскада, примененный в Схеме возбуждения быстродействующего лазерного диода, приведенной в книге Граф Р. Электронные схемы.- М.: Мир, 1989 г. с. 232, принятый за прототип. Принципиальная схема устройства-прототипа изображена на фиг. 1, где приняты следующие обозначения:
1,2 - биполярный транзистор n-p-n проводимости;
3,4 - МДП-транзистор с каналом n - типа;
5, 8, 10 - конденсатор;
6, 9, 11 - резистор;
7, 12 - диод.

Вход формирователя непосредственно соединен с затвором транзистора 4 и через параллельно соединенные конденсатор 5 и резистор 6 с базой транзистора 2, коллектор которого соединен с общей точкой катода диода 12, первого вывода резистора 11 и базы транзистора 1, эмиттер которого соединен с общей точкой анода диода 12 и затвора транзистора 3, коллектор - с общей точкой второго вывода резистора 11, прямо включенного с второй шиной источника питания диода 7 и первого вывода конденсатора 8, второй вывод которого соединен с общей точкой истока транзистора 3, стока транзистора 4 и первым выводом нагрузки, образованной параллельно соединенными резистором 9 и конденсатором 10. Общая точка второго вывода нагрузки, истока транзистора 4 и эмиттера транзистора 2 соединена с общей шиной питания. Сток транзистора 3 соединен со второй шиной источника питания.

Работает формирователь следующим образом.

При подаче на вход схемы положительного напряжения транзисторы 2 и 4 отпираются, транзистор 1 запирается, так как напряжение на базе транзистора 1 становится ниже, чем на его эмиттере, затвор транзистора 3 соединяется с общей шиной через открытый диод 12 и небольшое сопротивление открытого транзистора 2, поэтому быстро стекает заряд, накопленный в цепи затвора. Этим обеспечивается запирание транзистора 3. Конденсатор 10 разряжается через открытый транзистор 4. Конденсатор В заряжается до напряжения питания формирователя за вычетом падений напряжений на открытых диоде 7 и транзисторе 4.

При подаче на вход напряжения низкого уровня транзисторы 2 и 4 запираются, возрастает напряжение на базе транзистора 1, диод 12 запирается, транзистор 1 отпирается. Напряжение на истоке транзистора 3 возрастает. Так как напряжение на конденсаторе 8 мгновенно измениться не может, то напряжение на катоде диода 7 выше, чем напряжение на истоке транзистора 3 на величину напряжения заряженного конденсатора 8. Напряжение на катоде диода 7 больше напряжения питания, поэтому диод 7 запирается и через открытый транзистор 1, работающий в режиме эмиттерного повторителя, происходит заряд затвора транзистора 3, причем напряжение не затворе транзистора 3 выше напряжения на его истоке на величину близкую к величине напряжения питания благодаря конденсатору 8. Таким образом, создаются условия для быстрого переключения транзистора 3 в открытое состояние. Выходной импульс формируется на нагрузке, образованной параллельно соединенными резисторами 9 и конденсатором 10.

Описываемая схема работает только при периодически повторяющемся входном сигнале, так как необходимо периодически подзаряжать конденсатор 8.

Однако быстродействие схемы ограничено, так как транзистор 1 отпирается и запирается только после того, как соответственно запирается и отпирается транзистор 2. Кроме того, существенными недостатками прототипа являются нерациональное использование энергии источника питания, обусловленное значительным током, протекающим через резистор 11 в отсутствие сигнала, так как к нему в этом время приложено напряжение источника питания за вычетом падений напряжений на открытых диоде 7 и транзисторе 2 и вызванный этим током нагрев резистора 11. Для уменьшения нагрева резистора 11 необходимо применять резистор большой мощности, а также предпринимать меры по отводу образующего тепла.

Для повышения быстродействия схемы и снижения потребления энергии от источника питания в отсутствие сигнала в схему формирователя, содержащего два мощных МДП-транзистора, диод, два конденсатора и два резистора введены: биполярный транзистор, проводимость которого противоположна типу канала мощных МДП-транзисторов, катушка индуктивности, конденсатор и два резистора. Вход формирователя через первый конденсатор соединен с первым выводом первого резистора и затвором первого мощного МДП-транзистора, исток которого соединен с общей точкой первого вывода нагрузки, образованной параллельно соединенными вторым резистором и вторым конденсатором, первого вывода третьего резистора, первого вывода катушки индуктивности и общей шины, сток - с общей точкой второго вывода нагрузки, первого вывода третьего конденсатора и истока второго мощного МДП-транзистора, сток которого соединен с второй шиной источника питания, а затвор - с общей точкой коллектора биполярного транзистора, второго вывода третьего резистора и второго вывода катушки индуктивности. База биполярного транзистора соединена с общей точкой второго вывода первого резистора и первого вывода четвертого резистора, второй вывод которого соединен с общей точкой эмиттера биполярного транзистора, второго вывода третьего конденсатора и диода, подключенного в прямом направлении к второй шине источника питания.

Принципиальная схема предлагаемого формирователя импульсов приведена на фиг. 2, где обозначено:
Элементы 3, 4, 7, 8, 9, 10 и 11 - те же, что на фиг. 1.

1 - биполярный транзистор с проводимостью, противоположной типу канала МДП-транзистора;
2 - катушка индуктивности;
5 - конденсатор;
6, 12 - резистор.

Вход формирователя соединен: с затвором транзистора 4; через конденсатор 5 и последовательно соединенный с ним резистор 6 с общей точкой базы транзистора 1 и первого вывода резистора 11. Второй вывод резистора 11 соединен с общей точкой прямо включенного с второй шиной источника питания диода 7, эмиттера транзистора 1 и первого вывода конденсатора 8, второй вывод которого соединен с общей точкой истока транзистора 3, стока транзистора 4 и первым выводом нагрузки, образованной параллельно соединенными резистором 9 и конденсатором 10. Общая точка второго вывода нагрузки, истока транзистора 4, первого вывода резистора 12 и первого вывода катушки индуктивности 2 соединена с общей шиной питания. Вывод стока транзистора 3 соединен со второй шиной источника питания, затвор - с общей точкой коллектора транзистора 1. второго вывода резистора 12 и второго вывода катушки индуктивности 2.

Заявляемый формирователь работает следующим образом.

В исходном состоянии на вход схемы подается напряжение высокого уровня. Транзистор 1 заперт, транзистор 4 открыт. Транзистор 3 заперт, так как его затвор с общей шиной через небольшое сопротивление катушки индуктивности 2. Конденсатор 10 разряжен через открытый транзистор 4. Конденсатор 8 заряжен до напряжения питания схемы за вычетом падений напряжений на открытых диоде 7 и транзисторе 4. Через транзистор 1 протекает лишь обратный ток коллектора, таким образом устраняется недостаток схемы прототипа, связанный с чрезмерным потреблением схемой энергии от источника питания в отсутствие сигнала.

Входному сигналу соответствует напряжение низкого уровня на входе формирователя. При этом транзистор 1 отпирается, а транзистор 4 запирается, напряжение на истоке транзистора 3 возрастает и начинается заряд затвора транзистора 3 открытые диод 7 и транзистор 1. При прохождении фронта импульса ток через катушку индуктивности очень мал, некоторая часть тока протекает через резистор 12, но большая часть тока втекает в затвор транзистора 3, который к моменту прихода импульса полностью разряжен. Лишь при передаче плоской вершины импульса часть тока транзистора 1 ответвляется в катушку индуктивности 2. Напряжение на конденсаторе 8 мгновенно измениться не может, поэтому напряжение в общей точке конденсатора 8, диода 7, эмиттера транзистора 1 и резистора 11 превышает напряжение на истоке транзистора 3 на величину напряжения заряженного конденсатора 8. Диод 7 запирается, так как напряжение на нем становится запирающим, и через открытый транзистор 1 происходит заряд входной емкости транзистора 3, причем напряжение на затворе транзистора 3 выше напряжения на его истоке на величину близкую к величине напряжения питания благодаря конденсатору 8. Таким образом, создаются условия для быстрого переключения транзистора 3 в открытое состояние и формирования на нагрузке фронта и вершины выходного импульса.

При прохождении среза импульса транзистор 4 отпирается, а транзистор 1 запирается. Ток в катушке индуктивности 2 скачком измениться не может из-за возникающей в ней ЭДС самоиндукции, препятствующей уменьшению тока за счет разряда входной емкости транзистора 3. Это создает условия для быстрого запирания транзистора 3 и разряда конденсатора нагрузки 10.

В заявляемом формирователе транзистор 1 отпирается и запирается непосредственно входным сигналом, что сокращает длительность выходного импульса по сравнению с прототипом. Применение катушки индуктивности 2 дополнительно сокращает длительность выходного импульса.

Таким образом быстродействие заявляемого формирователя выше, чем у прототипа.

Резистор 12 предназначен для предотвращения возбуждения параллельного колебательного контура, образованного катушкой индуктивности 2 и входной емкостью транзистора 3.

Описываемое устройство работает только с периодически повторяющими входными сигналам, так как необходимо периодически подзаряжать конденсатор 8. Чтобы разряд конденсатора 8 через запертый диод 7 был минимальным, диод 7 должен иметь как можно меньший ток утечки.

Относится к радиоэлектронике может использоваться в оптической лазерной связи. Формирователь, импульсных сигналов (ФИС содержит первый и второй мощные МДП-транзисторы (МДП-Т), имеющие один тип, затвор первого МДП-Т является входом ФИС и соединен с первой обкладкой первого конденсатора (К), исток первого МДП-Т соединен с общей шиной и первым выводом нагрузки (Н), а сток - со вторым выводом Н, с истоком второго МДП-Т и через второй К - с первым выводом первого резистора (Р), который через диод в прямом включении соединен с шиной питания и стоком второго МДП-Т, а также биполярный транзистор (БТ), база которого соединена с первым выводом второго Р, между коллектором БТ и общей шиной введены параллельно соединенные третий Р и катушка индуктивности, Н выполнена в виде параллельно соединенных четвертого Р и третьего К, эмиттер БТ соединен с первым выводом первого Р, второй вывод которого подключен к базе БТ, тип которого противоположен типу первого и второго МДП-Т, вторая обкладка первого К подключена к второму выводу второго Р, при этом, затвор второго МДП-Т соединен с коллектором БТ. 2 ил.

Формирователь импульсных сигналов, содержащий первый и второй мощные МДП-транзисторы, имеющие один тип, затвор первого мощного МДП-транзистора является входом формирователя импульсных сигналов и соединен с первой обкладкой первого конденсатора, исток первого мощного МДП-транзистора соединен с общей шиной и первым выводом нагрузки, а сток - с вторым выводом нагрузки, с истоком второго мощного МДП-транзистора и через второй конденсатор с первым выводом первого резистора, который через диод в прямом включении соединен с шиной питания и стоком второго мощного МДП-транзистора, а также биполярный транзистор, база которого соединена с первым выводом резистора, отличающийся тем, что между коллектором биполярного транзистора и общей шиной введены параллельно соединенные третий резистор и катушка индуктивности, нагрузка выполнена в виде параллельно соединенных четвертого резистора и третьего конденсатора, резистора и третьего конденсатора, эмиттер биполярного транзистора соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого подключен к базе биполярного транзистора, тип которого противоположен типу первого и второго мощных МПД-транзисторов, вторая обкладка первого конденсатора подключена к второму выводу второго резистора, при этом затвор второго мощного МДП-транзистора соединен с коллектором биполярного транзистора.