ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТОКА С СИММЕТРИЧНЫМ ВЫХОДОМ Российский патент 2023 года по МПК H03K3/281 

Основным требованием при исследованиях взаимодействия импульсов с объектами и обработке полученной информации является стабильность формы и амплитуды вырабатываемых импульсов, а также минимизация синфазных помех. Наличие синфазных помех и различных наводок значительно снижает чувствительность оборудования и качество измерений. Схема генератора импульсов должна обеспечивать стабильность формы генерируемых импульсов, а также симметрию выходного импульса относительно общего корпуса.

Известен генератор импульсов на основе дифференциального каскада [1], позволяющий получить симметричные выходные напряжения со стабильными амплитудами. Для борьбы с синфазными помехами в генераторе используется источник тока, подключаемый к точке соединения эмиттеров транзисторов. Генератор предназначен для работы в линейном режиме, при этом через источник тока протекает суммарный ток транзисторов дифференциальной пары. Недостатком этого генератора является низкий КПД, вызванный падением напряжений на резисторах в коллекторной цепи и значительным током в источнике тока. По этой причине генератор не используется при больших токах в нагрузке и формировании импульсов с большой скважностью.

Типовым решением по увеличению КПД является перевод устройства в ждущий режим работы и применение транзисторов разной проводимости. Известен микромощный генератор импульсов [2], работающий в режиме В, который содержит два МОП транзистора разной проводимости и два инвертора на комплементарных парах МОП транзисторов. Генератор отличается высоким КПД и малым временем переключения, однако формирует импульсы напряжения (и, соответственно, тока), несимметричные относительно общего провода. Несимметрия выходного тока приводит к наличию синфазного сигнала, что ограничивает применение генератора при симметричных нагрузках

Наиболее близким решением является схема двухполярного ждущего мультивибратора [3]. Основу двухполярного ждущего мультивибратора составляют ключи ab и cd на транзисторах VT1 и VT2, имеющих разные типы проводимости. В зависимости от управляющего напряжения на их базах по отношению к эмиттерам, они могут находиться оба в закрытом состоянии или в открытом состоянии. Соединение между собой их коллекторов в точках О'О' ограничивает число возможных состояний. В отсутствие напряжений на базах схема устойчива, все транзисторы заперты и через них не протекают коллекторные токи. Ток протекает только через последовательно соединенные резисторы Rк1, Rк2, и вследствие равенства напряжений плеч источников E1 и E2, а также равенства сопротивлений резисторов Rк1 и Rк2, напряжение в точках О'О' равно напряжению средней точки О источника.

Недостатком схемы является наличие резисторов Rк1 и Rк2, ограничивающих выходной ток, протекающий между точками О и О' и, соответственно, КПД генератора, а также асимметрия выходных биполярных импульсов, вызванная асимметрией каналов генератора, приводящей к появлению синфазных помех относительно средней точки О источника.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение КПД и ослабления уровня синфазных помех.

Для достижения заявленного технического результата в предлагаемом генераторе, схема которого показана на фиг.1, нагрузка подключается между коллекторами транзисторов VT3 и VT4 разной проводимости, при этом ток через нагрузку R10 ограничивается только сопротивлением насыщения транзисторов. Для компенсации асимметрии выходного напряжения относительно общего провода введена отрицательная обратная связь через операционный усилитель DA с большой постоянной обратной связи.

Заявляемый генератор импульсов тока с симметричным выходом, содержащий два выходных транзистора разной проводимости, включенных эмиттерами между двумя источниками питания со средней точкой, соединенные через резистивные делители с коллекторами входных транзисторов противоположной проводимости, соединенные эмиттерами и закрытыми при отсутствии входных сигналов, отличающийся тем, что нагрузка включается между коллекторами выходных транзисторов, а средняя точка резистора, включенного параллельно нагрузке, подключается к инвертирующему входу операционного усилителя, второй вход которого подключен к общему проводу источников питания, а выход операционного усилителя подключен к точке соединения эмиттеров входных транзисторов.

Предлагаемый генератор содержит два транзистора разной проводимости VT3, VT4, включенных эмиттерами между двумя источниками питания со средней точкой, и нагрузку R10, включенную между коллекторами этих транзисторов. Входной сигнал на транзисторы подается через базовые делители R6, R7 и R8, R9, включенные в коллекторы транзисторов VT1 и VT2 разной проводимости. В исходном состоянии все транзисторы заперты благодаря резисторам R4, R5 и R6, R9, включенным между переходами база-эмиттер соответствующих транзисторов.

При подаче отрицательного сигнала на транзистор VТ2 и положительного на транзистор VT1 достаточной амплитуды транзисторы открываются и обеспечивают переход транзисторов VT3, VT4 в режим насыщения, в результате чего через нагрузку R10 протекает максимально возможный ток.

В результате неидентичности каналов амплитуды выходных напряжений на коллекторах транзистороов VT3, VT4 относительно средней точки источника питания могут отличаться. Для выравнивания амплитуд параллельно нагрузке подключается переменный резистор R11, на средней точке которого, в случае равенства полуволн выходного напряжения, потенциал относительно общего провода равен нулю. С помощью этого потенциала, пропорционального разнице амплитуд импульсов, на выходах формируется сигнал отрицательной обратной связи (ООС), который с помощью операционного усилителя сравнивается с нулевым потенциалом на общем проводе. Выработанный сигнал рассогласования изменяет режимы работы транзисторов VT1, VT2, в результате чего происходит перераспределение напряжений транзисторов VT3, VT4 относительно средней точки источника питания, выравнивая симметрию выходных импульсов.

Инерционность работы цепи ООС, которая определяется постоянной времени С1•R3, значительно большей периода следования импульсов, что обеспечивает устойчивость работы генератора.

Список использованных источников

1. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники - М.: Мир, Гл. 2, рд. 2.18, 1998.

2. Иванов Юрий Борисович, Любко Александр Юрьевич. RU 161052 U1 Микромощный генератор импульсов. Заявка РФ № 2015148164/08 от 10.04.2016.

3. Солнцев Борис Александрович. RU 2148888 Двухполярный ждущий мультивибратор. Заявка РФ № 99118051/09 от 10.05.2000.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к импульсной технике, и может быть использовано в генераторах импульсов, работающих на симметричные нагрузки, в системах цифровой обработки сигналов. Подобные генераторы используются в медицине, оптике, в физических экспериментах и других областях. Технический результат заключается в уменьшении искажений генерируемых сигналов с одновременным повышением КПД и ослаблением уровня синфазных помех. Заявленный технический результат достигается тем, что в генератор, работающий в ждущем режиме, вводится следящая отрицательная обратная связь, с помощью которой ликвидируется разница между положительной и отрицательной полуволнами выходного импульса относительно общего провода (корпуса). 1 ил.

Генератор импульсов тока с симметричным выходом, содержащий два выходных транзистора разной проводимости, включенных эмиттерами между двумя источниками питания со средней точкой, соединенные через резистивные делители с коллекторами входных транзисторов противоположной проводимости, соединенные эмиттерами и закрытыми при отсутствии входных сигналов, отличающийся тем, что нагрузка включается между коллекторами выходных транзисторов, а средняя точка резистора, включенного параллельно нагрузке, подключается к инвертирующему входу операционного усилителя, второй вход которого подключен к общему проводу источников питания, а выход операционного усилителя подключен к точке соединения эмиттеров входных транзисторов.