脉冲电路 - 快速指南

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脉冲电路 - 信号

信号不仅携带信息，还代表电路的状况。任何电路的功能都可以通过其产生的信号来研究。因此，我们将首先简要介绍信号来开始本教程。

电子信号

电子信号类似于我们遇到的正常信号，它指示某事或告知某事。电子信号的图形表示给出了有关参数周期性变化的信息，例如信号的幅度或相位。它还提供有关电压、频率、时间段等的信息。

这种表示为所传达的信息或所接收的信号带来了某种形状。这种形状的信号按照一定的变化形式形成时，可以赋予不同的名称，如正弦信号、三角信号、锯齿信号、方波信号等。

这些信号主要有两种类型，称为单向信号和双向信号。

• 单向信号- 信号仅沿一个方向（正或负）流动，这样的信号称为单向信号。

  示例- 脉冲信号。

• 双向信号- 当信号在穿过零点的正向和负向变化时，此类信号称为双向信号。

  示例- 正弦信号。

在本章中，我们将讨论脉冲信号及其特征。

脉冲信号

脉冲形状是由从基线值到较高或较低水平值的快速或突然瞬态变化形成的，并在一定时间段后返回到相同的基线值。这种信号可以称为脉冲信号。

下图显示了一系列脉冲。

脉冲信号是一种单向的非正弦信号，类似于方波信号，但不像方波那样对称。一系列连续的脉冲信号简称为脉冲串。一串脉冲表示从基线电平突然高电平和突然低电平的转变，可以分别理解为开/关。

因此，脉冲信号指示信号的ON和OFF。如果给电气开关提供脉冲输入，则根据给定的脉冲信号进行开/关。这些产生脉冲信号的开关可以稍后讨论。

与脉冲信号相关的术语

有一些与脉冲信号相关的术语需要了解。这些可以借助下图来理解。

由上图可知，

• 脉冲宽度- 脉冲长度

• 波形周期- 从一个周期的任意点到下一周期的同一点的测量

• 占空比- 脉冲宽度与周期的比率

• 上升时间- 从其最大幅度的 10% 上升到 90% 所需的时间。

• 下降时间- 信号从其最大幅度的 90% 下降到 10% 所需的时间。

• 过冲- 据说当波形的前沿超过其正常最大值时发生。

• 下冲- 据说当波形的后沿超过其正常最大值时发生。

• 振铃- 下冲和过冲都会出现阻尼振荡，称为振铃。

阻尼振荡是信号变化，表明信号的幅度和频率降低，这是无用且不需要的。这些振荡是简单的干扰，称为振铃。

在下一章中，我们将解释使用 BJT 完成电子器件切换的概念。我们已经在电子电路教程中讨论了使用二极管进行开关。请参考。

脉冲电路 - 开关

开关是一种接通或断开电路或触点的装置。它还可以将模拟数据转换为数字数据。开关高效的主要要求是快速且开关时不产生火花。基本部件是开关及其相关电路。

开关分为三种类型。他们是 -

• 机械开关
• 机电开关或继电器
• 电子开关

机械开关

机械开关是我们以前使用过的较旧类型的开关。但在一些应用中它们已被机电开关取代，后来又被电子开关取代，以克服前者的缺点。

机械开关的缺点如下 -

• 它们具有高惯性，限制了运行速度。
• 它们在断开接触时会产生火花。
• 开关触点做得很重，以承载更大的电流。

机械开关如下图所示。

这些机械开关被机电开关或继电器取代，它们具有良好的操作速度并减少火花。

继电器

机电开关也称为继电器。这些开关部分是机械的，部分是电子或电气的。它们的尺寸比电子开关大，比机械开关小。

继电器的构造

继电器的制作方式是通过触点向负载供电。在外部电路中，我们有用于负载的负载电源和用于控制继电器操作的线圈电源。在内部，杠杆通过硬弹簧连接到铁轭，以将杠杆保持向上。螺线管连接到磁轭，其周围缠绕有操作线圈。如上所述，该线圈与线圈电源连接。

下图解释了继电器的构造和工作原理。

继电器的工作原理

当开关闭合时，会建立一条电气路径，为螺线管通电。该杠杆由一个重型弹簧连接，该弹簧将杠杆拉起并固定。当螺线管通电时，克服弹簧的拉力将杠杆拉向它。当拉动控制杆时，动触点与固定触点相遇，从而连接电路。因此，电路连接打开或建立，并且灯发光指示这一点。

当开关关闭时，电磁阀不会获得任何电流并断电。这使得杠杆对螺线管没有任何吸引力。弹簧将控制杆向上拉，从而断开接触。因此电路连接被关闭。

下图显示了实际继电器的样子。

现在让我们看看电磁开关的优点和缺点。

优点

• 即使在负载上处理大功率，继电器也会消耗更少的能量。
• 操作员可以处于更远的距离，甚至可以处理高电压。
• 打开或关闭时无火花。

缺点

• 运行缓慢
• 零件容易磨损

继电器中锁存器的类型

继电器根据其工作方式有很多种，如电磁继电器、固态继电器、热继电器、混合继电器、干簧继电器等。

继电器借助锁存器进行连接，如下图所示。

继电器中有四种类型的锁存连接。他们是 -

• 单刀单掷 (SPST) - 该闩锁具有单刀，并被掷到单掷上以建立连接。

• 单刀双掷 (SPDT) - 该锁存器具有单刀双掷来建立连接。它可以选择与连接了两个投掷的两个不同电路进行连接。

• 双刀单掷 (DPST) - 该闩锁具有双刀单掷以进行连接。两个电路中的任何一个都可以选择与单掷可用的电路进行连接。

• 双刀双掷 (DPDT) - 该闩锁具有双刀，并被投掷至双掷以同时建立两个连接。

下图显示了所有四种类型的锁存器连接的示意图。

电子开关

下一种要讨论的开关是电子开关。如前所述，晶体管因其工作速度高且无火花而成为最常用的电子开关。

下图显示了一个使晶体管用作开关的实用电子电路。

当晶体管工作在饱和区时，晶体管在导通状态下充当开关。当它在截止区域操作时，它作为一个处于关闭状态的开关。它在线性区域充当放大器，位于晶体管和截止之间。要了解这些工作区域，请参阅基础电子教程中的晶体管章节。

当外部条件如此恶劣且高温盛行时，简单而普通的晶体管就无法发挥作用。一种称为硅控整流器（简称SCR）的特殊装置用于此目的。这将在电力电子教程中详细讨论。

电子开关的优点

电子开关有很多优点，例如

• 尺寸较小
• 重量更轻
• 火花操作
• 无活动部件
• 不易磨损
• 低噪音运行
• 操作更快
• 比其他开关便宜
• 减少维护
• 固态带来无故障服务

晶体管是一种具有高工作速度的简单电子开关。它是一种固态器件，触点都很简单，因此在运行时可以避免产生火花。我们将在下一章讨论晶体管开关操作的各个阶段。

脉冲电路 - 晶体管作为开关

晶体管通过驱动饱和或截止来用作电子开关。这两者之间的区域是线性区域。晶体管在该区域充当线性放大器。饱和状态和截止状态是这方面的重要考虑因素。

晶体管的开和关状态

晶体管的工作有两个主要区域，我们可以将其视为导通状态和截止状态。它们是饱和状态和截止状态。让我们看看晶体管在这两种状态下的Behave。

截止状态下运行

下图显示了截止区域中的晶体管。

当晶体管的基极为负时，晶体管进入截止状态。没有集电极电流。因此_IC = 0。

施加在集电极上的电压V _{CC出现在集电极电阻R C}两端。所以，

VCE = _{VCC _}

工作在饱和区

下图显示了处于饱和区的晶体管。

当基极电压为正且晶体管进入饱和状态时，IC_流过R _C。

然后 V _CC下降到 R _C上。输出将为零。

$$I_C = I_{C(sat)} \: = \: \frac{V_{CC}}{R_C} \: 和 \: V_{CE} = 0$$

事实上，这是最理想的状态。实际上，会产生一些漏电流。因此，我们可以理解，晶体管在饱和时充当开关，并通过向基极施加正负电压来截止区域。

下图给出了更好的解释。

_{观察连接 I C}和 V _CC的直流负载线。如果晶体管被驱动至饱和，则 I _C完全流动且 V _CE = 0，如点A所示。

如果晶体管被驱动到截止状态，IC_将为零，V _CE = V _CC，由点 B 表示。连接饱和点 A 和截止点 B 的线称为负载线。由于此处施加的电压为直流，因此称为直流负载线。

实际考虑

尽管上述条件都令人信服，但要实现这样的结果还存在一些实际限制。

切断状态期间

理想晶体管的 V _CE = V _CC且 I _C = 0。

但实际上，流经集电极的漏电流较小。

因此 I _C将为几μA。

这称为集电极漏电流，当然可以忽略不计。

饱和状态期间

理想晶体管的 V _CE = 0 且 I _C = I _C(sat)。

但实际上，V _CE会降低到某个称为拐点电压的值。

当V _CE下降超过拐点电压时，β 急剧下降。

由于 I _C = βI _B这会降低集电极电流。

因此，将 V _{CE维持在拐点电压的最大电流 I C}称为饱和集电极电流。

饱和集电极电流 = $I_{C(sat)} \: = \: \frac{V_{CC} - V_{knee}}{R_C}$

仅出于开关目的而制造的晶体管称为开关晶体管。这适用于饱和度或截止区域。在饱和状态下，集电极饱和电流流过负载；在截止状态下，集电极漏电流流过负载。

晶体管的开关动作

晶体管具有三个工作区域。为了了解运行效率，需要考虑实际损失。因此，让我们尝试了解晶体管作为开关的工作效率如何。

切断 (OFF) 状态期间

基极电流 IB ₌ 0

集电极电流IC ₌ I _CEO（集电极漏电流）

功率损耗 = 输出电压 × 输出电流

$$= V_{CC} \times I_{CEO}$$

由于I _CEO规模很小，V _CC也很低，因此损失价值非常低。因此，晶体管在关断状态下充当高效开关。

饱和（ON）状态期间

正如前面所讨论的，

$$I_{C(sat)} = \frac{V_{CC} - V_{膝盖}}{R_C}$$

输出电压为V _knee。

功率损耗=输出电压×输出电流

$$= \:V_{膝盖} \times I_{c(sat)}$$

由于V_拐点值较小，因此损失较小。因此，晶体管在导通状态下充当高效开关。

在活动区域​​期间

晶体管处于导通和截止状态之间。该晶体管作为线性放大器运行，输入电流的微小变化会导致输出电流 (ΔI _C ) 发生较大变化。

切换时间

开关晶体管以脉冲作为输入，并以变化较小的脉冲作为输出。关于开关输出脉冲的时序，您应该了解一些术语。让我们来看看它们。

令输入脉冲持续时间 = T

当施加输入脉冲时，由于杂散电容的原因，集电极电流需要一些时间才能达到稳态值。下图解释了这个概念。

从上图来看，

• 时间延迟(t _d ) - 集电极电流从其初始值达到其最终值的 10% 所需的时间称为时间延迟。

• 上升时间(t _r ) - 集电极电流从其初始值的 10% 达到其最终值的 90% 所需的时间称为“上升时间”。

• 开启时间 (TON ₎ -时间延迟 (t _d ) 和上升时间 (t _r ) 之和称为开启时间。

  T _ON = t _d + t _r

• 存储时间 (t _s ) - 输入脉冲后沿到输出最大值 90% 之间的时间间隔，称为存储时间。

• 下降时间 (t _f ) - 集电极电流从最大值的 90% 达到初始值的 10% 所需的时间称为下降时间。

• 关断时间 (T _OFF ) - 存储时间 (t _s ) 和下降时间 (t _f ) 之和定义为关断时间。

  T_关闭= t _s + t _f

• 脉冲宽度(W) - 在上升和下降波形的两个 50% 电平之间测量的输出脉冲的持续时间定义为脉冲宽度。

脉冲电路 - 多谐振荡器概述

多谐振荡器电路只不过是一个开关电路。它产生非正弦波，如方波、矩形波和锯齿波等。多谐振荡器用作频率发生器、分频器和时间延迟发生器，也用作计算机等中的存储元件。

晶体管在其线性区域基本上起到放大器的作用。如果晶体管放大器输出级与前一个放大器级连接，则这种连接被称为耦合。如果在这种放大器电路的两级之间使用电阻进行耦合，则称为电阻耦合放大器。有关更多详细信息，请参阅放大器教程。

什么是多谐振荡器？

根据定义，多谐振荡器是一种两级电阻耦合放大器，一个放大器的输出到另一个放大器的输入具有正反馈。

两个晶体管以反馈方式连接，以便一个控制另一个晶体管的状态。因此，整个电路的导通和截止状态以及晶体管被驱动到饱和或截止的时间周期由电路的条件控制。

下图显示了多谐振荡器的框图。

多谐振荡器的类型

多谐振荡器有两种可能的状态。在第一阶段，晶体管Q ₁导通，而晶体管Q ₂截止。在第二阶段，晶体管Q ₁截止，而晶体管Q ₂导通。根据电路条件，这两种状态会在一定的时间段内互换。

根据这两种状态互换的方式，多谐振荡器分为三种类型。他们是

非稳态多谐振荡器

非稳态多谐振荡器是这样一种电路，它可以在两种状态之间连续自动切换，而无需施加任何外部脉冲来进行操作。由于这会产生连续的方波输出，因此被称为自由运行多谐振荡器。直流电源是常见的要求。

这些状态的时间周期取决于所用组件的时间常数。当多谐振荡器不断切换时，这些状态被称为准稳定或半稳定状态。因此，非稳态多谐振荡器有两种准稳态。

单稳态多谐振荡器

单稳态多谐振荡器具有稳态和准稳态。它有一个到一个晶体管的触发输入。因此，一个晶体管自动改变其状态，而另一个晶体管需要触发输入来改变其状态。

由于该多谐振荡器为每个触发脉冲产生一个输出，因此称为单次多谐振荡器。该多谐振荡器在接收到触发脉冲之前一直保持稳定状态，不能长时间保持准稳定状态。

双稳态多谐振荡器

双稳态多谐振荡器具有两种稳定状态。它需要施加两个触发脉冲来改变状态。在给出触发输入之前，该多谐振荡器无法改变其状态。它也称为触发器多谐振荡器。

由于触发脉冲设置或重置输出，并且存储一些数据（即高或低）直到其受到干扰，因此该多谐振荡器可以称为触发器。要了解有关触发器的更多信息，请参阅我们的数字电路教程：https ://www.tutorialspoint.com/digital_ Circuits/index.htm

为了清楚地了解上述讨论，让我们看一下下图。

所有这三个多谐振荡器将在接下来的章节中进行清楚的讨论。

脉冲电路 - 非稳态多谐振荡器

非稳态多谐振荡器没有稳定状态。_{一旦多谐振荡器打开，它就会在由 R C}时间常数确定的一定时间段后自行改变其状态。为电路提供直流电源或 V _{cc以便其运行。}

非稳态多谐振荡器的构造

名为 Q ₁和 Q ₂的两个晶体管相互反馈连接。晶体管Q ₁的集电极通过电容器C ₁连接到晶体管Q ₂的基极，反之亦然。两个晶体管的发射极均接地。集电极负载电阻R ₁和R ₄以及偏置电阻R ₂和R ₃具有相同的值。电容器C ₁和C ₂具有相等的值。

下图所示为非稳态多谐振荡器的电路图。

非稳态多谐振荡器的操作

当施加Vcc时_，晶体管的集电极电流增加。由于集电极电流取决于基极电流，

$$I_c = \beta I_B$$

由于没有晶体管特性相似，因此两个晶体管之一的集电极电流增加，因此Q _{1导通。Q 1}的集电极通过C ₁连接到Q ₂的基极。_{这种连接使得 Q 1}集电极处增加的负电压施加到 Q ₂的基极，并且其集电极电流减小。_{这种连续的作用使得Q 2}的集电极电流进一步减小。_{当该电流施加到 Q 1}的基极时，其负值会更大，并且随着累积作用，Q ₁进入饱和状态，而 Q ₂则截止。_{因此，Q 1}的输出电压将为V _{CE (sat)}，而Q ₂将等于V _CC。

电容器C ₁通过R _{1充电，当C 1}两端的电压达到0.7v时，这足以使晶体管Q ₂饱和。当该电压施加到 Q ₂的基极时，它会进入饱和状态，从而降低其集电极电流。B 点电压的降低通过 C ₂施加到晶体管 Q ₁的基极，这使得 Q ₁反向偏置。一系列这些动作使晶体管 Q ₁截止并使晶体管 Q ₂饱和。现在A点有电位V _CC。电容器C _{2通过R 2}充电。_{当该电容器C 2}两端的电压达到0.7v时，使晶体管Q ₁导通至饱和。

因此，输出电压和输出波形是由晶体管Q ₁和Q ₂的交替开关形成的。这些ON/OFF状态的时间周期取决于所使用的偏置电阻器和电容器的值，即取决于所使用的R _C值。由于两个晶体管交替工作，输出为方波，峰值幅度为V _CC。

波形

_{Q 1}和Q ₂集电极的输出波形如下图所示。

振荡频率

_{晶体管 Q 1}的导通时间或晶体管 Q ₂的截止时间由下式给出

t ₁ = 0.69R ₁ C ₁

_{类似地，晶体管 Q 1}的截止时间或晶体管 Q ₂的导通时间由下式给出

t ₂ = 0.69R ₂ C ₂

因此，方波的总时间周期

t = t ₁ + t ₂ = 0.69(R ₁ C ₁ + R ₂ C ₂ )

由于 R ₁ = R ₂ = R 且 C ₁ = C ₂ = C，方波的频率为

$$f = \frac{1}{t} = \frac{1}{1.38 RC} = \frac{0.7}{RC}$$

优点

使用非稳态多谐振荡器的优点如下 -

• 无需外部触发。
• 电路设计简单
• 便宜
• 可以连续运行

缺点

使用非稳态多谐振荡器的缺点如下 -

• 能量吸收更多在电路内部。
• 输出信号能量低。
• 占空比无法达到小于或等于50%。

应用领域

非稳态多谐振荡器用于许多应用，例如业余无线电设备、莫尔斯电码发生器、定时器电路、模拟电路和电视系统。

脉冲电路 - 单稳态多谐振荡器

单稳态多谐振荡器，顾名思义，只有一种稳定状态。当一个晶体管导通时，另一个保持非导通状态。稳定状态是晶体管保持不变而不被改变的状态，除非受到某些外部触发脉冲的干扰。由于单稳态的工作原理相同，因此它还有一个名称，称为单稳态多谐振荡器。

单稳态多谐振荡器的构造

两个晶体管Q ₁和Q ₂彼此反馈连接。晶体管Q ₁的集电极通过电容器C ₁连接到晶体管Q ₂的基极。基极Q ₁通过电阻R _{2和电容C连接到Q 2}的集电极。另一个直流电源电压-V _BB通过电阻R ₃提供给晶体管Q ₁的基极。触发脉冲通过电容C ₂送到Q ₁的基极，改变其状态。R _L1和R _{L2是Q 1}和Q ₂的负载电阻。

其中一个晶体管进入稳定状态时，给予外部触发脉冲以改变其状态。改变其状态后，晶体管在特定时间段内保持准稳定状态或亚稳定状态，该时间段由RC时间常数的值决定，然后回到之前的稳定状态。

下图显示了单稳态多谐振荡器的电路图。

单稳态多谐振荡器的操作

首先，当电路导通时，晶体管Q ₁将处于截止状态，而Q ₂将处于导通状态。这是稳定状态。当Q ₁关闭时， A点的集电极电压将为V _{CC ，因此C 1}被充电。_{施加在晶体管 Q 1}基极的正触发脉冲使晶体管导通。这降低了集电极电压，从而关断晶体管Q ₂。此时电容器C _{1开始放电。当来自晶体管Q 2}集电极的正电压施加到晶体管Q ₁时，它保持在导通状态。这是准稳定状态或亚稳定状态。

晶体管Q ₂保持截止状态，直到电容器C ₁完全放电。此后，通过电容器放电施加的电压使晶体管Q _2导通。这使晶体管Q ₁导通，这是先前的稳定状态。

输出波形

_{Q 1}和 Q ₂集电极的输出波形以及 Q ₁基极的触发输入如下图所示。

该输出脉冲的宽度取决于 RC 时间常数。_{因此，它取决于R 1} C ₁的值。脉冲持续时间由下式给出

$$T = 0.69R_1 C_1$$

给出的触发输入持续时间非常短，仅用于启动操作。这触发电路将其状态从稳定状态改变为准稳定或亚稳定或半稳定状态，其中电路保持较短的持续时间。1个触发脉冲对应1个输出脉冲。

优点

单稳态多谐振荡器的优点如下 -

• 一个触发脉冲就足够了。
• 电路设计简单
• 便宜

缺点

使用单稳态多谐振荡器的主要缺点是触发脉冲 T 的施加之间的时间必须大于电路的 RC 时间常数。

应用领域

单稳态多谐振荡器用于电视电路和控制系统电路等应用。

脉冲电路 - 双稳态多谐振荡器

双稳态多谐振荡器有两个稳定状态。电路保持在两种稳定状态中的任何一种。除非给出外部触发脉冲，否则它将继续保持该状态。这种多谐振荡器也称为触发器。该电路简称为二进制。

双稳态多谐振荡器的类型很少。它们如下图所示。

双稳态多谐振荡器的构造

具有负载电阻器R _L1和R L2_的两个类似的晶体管Q _{1和Q 2}彼此反馈连接。基极电阻器R ₃和R ₄连接到公共源-V _BB。反馈电阻器R ₁和R ₂被称为换向电容器的电容器C ₁和C ₂并联。晶体管Q _{1 的}基极通过电容器C ₃被给予触发输入，晶体管Q _{2 的}基极通过电容器C ₄被给予触发输入。

电容器 C ₁和 C ₂也称为加速电容器，因为它们减少了过渡时间，这意味着从一个晶体管传导到另一个晶体管所需的时间。

下图显示了自偏置双稳态多谐振荡器的电路图。

双稳态多谐振荡器的操作

当电路导通时，由于一些电路不平衡（如 Astable 中的情况），其中一个晶体管（例如 Q _1）被导通，而晶体管 Q ₂被关断。这是双稳态多谐振荡器的稳定状态。

_{通过在晶体管Q 1}的基极施加负触发或通过在晶体管Q ₂的基极施加正触发脉冲，该稳定状态不会改变。_{因此，让我们通过考虑晶体管 Q 1}基极的负脉冲来理解这一点。结果，集电极电压增加，这正向偏置晶体管Q ₂。_{Q 2}的集电极电流施加在Q ₁的基极上，反向偏置Q ₁并且这种累积作用使得晶体管Q ₁截止并且晶体管Q ₂导通。这是多谐振荡器的另一种稳定状态。

_{现在，如果必须再次改变该稳定状态，则在晶体管Q 2}处施加负触发脉冲，或者在晶体管Q ₁处施加正触发脉冲。

输出波形

_{Q 1}和Q ₂集电极的输出波形以及Q _W和Q ₂基极的触发输入如下图所示。

优点

使用双稳态多谐振荡器的优点如下 -

• 除非受到干扰，否则存储先前的输出。
• 电路设计简单

缺点

双稳态多谐振荡器的缺点如下 -

• 需要两种触发脉冲。
• 比其他多谐振荡器贵一点。

应用领域

双稳态多谐振荡器用于脉冲生成和数字运算（例如二进制信息的计数和存储）等应用。

固定偏置二进制

固定偏置二进制电路类似于非稳态多谐振荡器，但具有简单的 SPDT 开关。两个晶体管与两个电阻器反馈连接，一个集电极连接到另一个电阻器的基极。下图显示了固定偏置二进制的电路图。

为了理解操作，让我们假设开关位于位置 1。现在，由于基极接地，晶体管 Q ₁将关闭。输出端子处的集电极电压V _O1将等于V _CC，这使晶体管Q ₂导通。端子 V _O2的输出变为低电平。这是一种稳定状态，只能通过外部触发器来改变。将开关切换至位置 2，可作为触发器。

当开关改变时，晶体管Q ₂的基极接地，将其转至截止状态。_{V O2}处的集电极电压将等于V _CC，该电压被施加到晶体管Q ₁以将其导通。这是另一种稳定状态。该电路中的触发是在 SPDT 开关的帮助下实现的。

二进制电路有两种主要的触发类型。他们是

• 对称触发
• 不对称触发

施密特触发器

应该讨论的另一种类型的二进制电路是发射极耦合二进制电路。该电路也称为施密特触发器电路。该电路因其应用而被认为是同类电路中的特殊类型。

该电路结构的主要区别在于，缺少从第二晶体管的输出C _{2到第一晶体管的基极B1的耦合，并且现在通过电阻器R e}获得反馈。该电路被称为再生电路，因为它具有正反馈且无反相。使用BJT的施密特触发器电路如下图所示。

最初，Q ₁关闭，Q ₂开启。_{Q 2}基极施加的电压是通过R _C1和R _{1的V CC}。所以输出电压将为

$$V_0 = V_{CC} - (I_{C2}R_{c2})$$

当 Q _{2导通时， RE}两端将出现电压降，即 ( _IC2 + I _B2 ) _RE。_{现在该电压被施加到 Q 1}的发射极。输入电压增加，直到 Q ₁达到接通电压并导通，输出保持低电平。当 Q ₁打开时，输出将增加，因为 Q ₂也打开。_{随着输入电压继续上升，C 1}和B ₂点电压继续下降，E _{2 点}继续上升。在输入电压达到一定值时，Q ₂关闭。此时的输出电压将为V _CC并保持恒定，尽管输入电压进一步增加。

随着输入电压上升，输出保持低电平，直到输入电压达到 V ₁，其中

$$V_1 = [V_{CC} - (I_{C2}R_{C2})]$$

_{输入电压等于V 1}时使晶体管Q ₁进入饱和的值称为UTP（上触发点）。如果电压已经大于 V ₁，则它会保持在那里，直到输入电压达到 V ₂，这是一个低电平转换。_{因此，输入电压为V 2}时Q ₂进入ON状态的值被称为LTP（下触发点）。

输出波形

得到的输出波形如下所示。

施密特触发器电路用作比较器，因此将输入电压与称为UTP（上触发点）和LTP（下触发点）的两个不同电压电平进行比较。如果输入穿过此 UTP，则将其视为高电平；如果输入低于此 LTP，则将其视为低电平。输出将是一个二进制信号，表示 1 表示高电平，0 表示低电平。因此，模拟信号被转换为数字信号。如果输入处于中间值（高和低之间），则前一个值将是输出。

这个概念取决于称为磁滞的现象。电子电路的传输特性表现出一种称为磁滞的回路。它解释了输出值取决于输入的当前值和过去值。这可以防止施密特触发电路中不必要的频率切换

优点

施密特触发器电路的优点是

• 保持完美的逻辑电平。
• 它有助于避免元稳定性。
• 因其脉冲调节功能优于普通比较器。

缺点

施密特触发器的主要缺点是

• 如果输入慢，输出也会慢。
• 如果输入有噪声，则输出也会有噪声。

施密特触发器的应用

施密特触发器电路用作幅度比较器和平方电路。它们还用于脉冲调节和锐化电路。

这些是使用晶体管的多谐振荡器电路。相同的多谐振荡器是使用运算放大器和 IC 555 定时器电路设计的，这将在进一步的教程中讨论。

时基发生器概述

在讨论了脉冲电路的基础知识之后，现在让我们了解一下生成和处理锯齿波的不同电路。锯齿波随时间线性增加并突然减少。这也称为时基信号。实际上，这是时基发生器的理想输出。

什么是时基发生器？

产生高频锯齿波的电子发生器可以称为时基发生器。也可以理解为产生输出电压或电流波形的电子电路，其中一部分随时间线性变化。时基发生器的水平速度必须恒定。

为了在示波器上显示信号随时间的变化，必须向偏转板施加随时间线性变化的电压。这使得信号将光束水平扫过屏幕。因此该电压被称为扫描电压。时基发生器称为扫描电路。

时基信号的特征

为了在 CRO 或显像管中生成时基波形，偏转电压随时间线性增加。通常，使用时基发生器，其中光束在屏幕上线性偏转并返回到其起点。这发生在扫描过程中。阴极射线管和显像管的工作原理相同。光束在屏幕上从一侧偏转到另一侧（通常从左到右）并返回到同一点。

这种现象称为跟踪和回溯。光束在屏幕上从左到右的偏转称为“ Trace”，而光束从右到左的返回称为“ Retrace”或“Fly back”。通常这种回溯是不可见的。这个过程是在锯齿波发生器的帮助下完成的，锯齿波发生器在所使用的 RC 组件的帮助下设置偏转的时间周期。

让我们尝试了解锯齿波的各个部分。

在上述信号中，输出线性增加的时间称为扫描时间（T _S），信号回到其初始值所需的时间称为恢复时间或回扫时间或回扫时间（T ₎。这两个时间周期共同构成时基信号一个周期的时间周期。

实际上，我们得到的扫描电压波形是扫描电路的实际输出，而理想的输出必须是上图所示的锯齿波形。

时基发生器的类型

有两种类型的时基发生器。他们是 -

• 电压时基发生器- 提供随时间线性变化的输出电压波形的时基发生器称为电压时基发生器。

• 电流时基发生器- 提供随时间线性变化的输出电流波形的时基发生器称为电流时基发生器。

应用领域

时基发生器用于 CRO、电视、雷达显示器、精确时间测量系统和时间调制。

扫频信号误差

生成扫描信号后，就可以发送它们了。传输的信号可能会出现线性偏差。为了理解并纠正发生的错误，我们必须对发生的常见错误有一些了解。

线性偏差以三种不同的方式表示。他们是 -

• 斜率或扫描速度误差
• 位移误差
• 传输错误

让我们详细讨论这些。

斜率或扫描速度误差 ( _es )

扫描电压必须随时间线性增加。扫描电压随时间的变化率必须恒定。这种线性偏差被定义为斜率速度误差或扫描速度误差。

斜率或扫描速度误差 e _s = $\frac{扫描开始和结束处的斜率差}{\: 的初始值：坡度}$

$$= \frac{\left (\frac{\mathrm{d} V_0}{\mathrm{d} t} \right )_{t = 0} - \left( \frac{\mathrm{d} V_0} {\mathrm{d} t} \right)_{t = T_s}}{\left( \frac{\mathrm{d} V_0}{\mathrm{d} t}\right )_{t = 0}} $$

位移误差 (e _d )

线性度的一个重要标准是实际扫描电压与经过实际扫描起点和终点的线性扫描之间的最大差异。

这可以从下图来理解。

位移误差e _d定义为

e _d = $\frac{(实际速度)\thicksim（经过实际扫描的开始和结束的线性扫描）}{振幅\:扫描结束时间}$

$$= \: \frac{(V_s - V′_s)_{max}}{V_s}$$

其中 V _s是实际扫描，V' _s是线性扫描。

传输误差 ( _et )

当扫描信号通过高通电路时，输出会与输入产生偏差，如下所示。

这种偏差被表示为传输误差。

传输误差 = $\frac{(输入)\: \thicksim \:(输出)}{输入\: 扫描结束处}$

$$e_t = \frac{V′_s − V}{V′_s}$$

其中 V' _s是输入，V _s是扫描结束时（即 t = T _s时）的输出。

如果线性度的偏差非常小，并且扫描电压可以通过 t 中的线性项和二次项之和来近似，则上述三个误差的关系为：

$$e_d = \frac{e_s}{8} = \frac{e_t}{4}$$

$$e_s = 2e_t = 8e_d$$

扫描速度误差比位移误差更占主导地位。

时基发生器的类型

由于我们知道时基发生器有两种类型，因此让我们尝试了解这些时基发生器电路的基本电路。

电压时基发生器

提供随时间线性变化的输出电压波形的时基发生器称为电压时基发生器。

让我们尝试了解基本的电压时基发生器。

简单的电压时基发生器

基本的简单 RC 时基发生器或斜坡发生器或扫描电路由电容器 C 组成，电容器 C通过串联电阻器 R _{2通过 V CC}充电。_{它包含一个 BJT，其基极通过电阻器 R 1}连接。电容器通过电阻器充电并通过晶体管放电。

下图显示了一个简单的 RC 扫描电路。

通过施加正向电压脉冲，晶体管Q导通至饱和，并且电容器通过Q和R ₁快速放电至V _{CE (sat)}。当输入脉冲结束时，Q 关断，电容器 C 开始充电，并继续充电，直到下一个输入脉冲。重复此过程，如下面的波形所示。

当晶体管导通时，它为电容器快速放电提供低电阻路径。当晶体管处于截止状态时，电容器将以指数方式充电至电源电压 V _CC，根据等式

$$V_0 = V_{CC}[1 - exp(-t/RC)]$$

在哪里

• V _O = 时间 t 时电容器两端的瞬时电压
• V _CC = 电源电压
• t = 所用时间
• R = 串联电阻值
• C = 电容器的值

现在让我们尝试了解不同类型的时基发生器。

我们刚才讨论的电路是电压时基发生器电路，因为它以电压形式提供输出。

当前时基发生器

提供随时间线性变化的输出电流波形的时基发生器称为电流时基发生器。

让我们尝试了解基本的当前时基生成器。

一个简单的电流时基发生器

一个基本的简单 RC 时基发生器或斜坡发生器或扫描电路由一个共基极配置晶体管和两个电阻器组成，一个在发射极，另一个在集电极。V _CC被提供给晶体管的集电极。基本斜坡电流发生器的电路图如下所示。

以共基极配置连接的晶体管的集电极电流随其发射极电流线性变化。当发射极电流保持恒定时，集电极电流也将接近恒定值，除了集电极基极电压非常小的值之外。

当输入电压 Vi_施加在晶体管的基极时，它出现在发射极，产生发射极电流 i _E，并且随着 Vi 从零增加到其峰值，发射极电流线性_增加。集电极电流随着发射极电流的增加而增加，因为 i _C接近等于 i _E。

负载电流的瞬时值为

$$i_L i_C \thickapprox (v_i - V_{BE})/R_E$$

输入和输出波形如下图所示。

自举时基发生器

自举扫描发生器是一种时基发生器电路，其输出通过反馈反馈到输入。这将增加或减少电路的输入阻抗。这个自举过程用于实现恒定的充电电流。

Bootstrap时基发生器的构建

自举时基发生器电路由两个晶体管组成，Q ₁用作开关，Q ₂用作射极跟随器。晶体管Q ₁使用其基极处的输入电容器C _B和通过V _{CC 的}电阻器R _B连接。晶体管Q ₁的集电极连接至晶体管Q ₂的基极。_{Q 2}的集电极连接至V _CC，而其发射极设有电阻器R _E，通过该电阻器获取输出。

采用二极管D，其阳极连接到V _CC而阴极连接到连接到输出的电容器C _{2 。}二极管D的阴极还连接到电阻器R，电阻器R又连接到电容器C ₁。该C _{1和R通过Q 2}的基极和Q ₁的集电极连接。_{电容器C 1}两端出现的电压提供输出电压V _o。

下图解释了自举时基生成器的结构。

自举时基发生器的操作

在 t = 0 处应用选通波形之前，由于晶体管从 V _CC通过 R _B获得足够的基极驱动，因此 Q ₁导通，Q ₂截止。电容器C ₂通过二极管D充电至V _{CC 。然后，在Q 1}的基极施加来自单稳多谐振荡器的选通波形的负触发脉冲，从而使Q ₁截止。现在电容器C ₂放电并且电容器C ₁通过电阻器R充电。由于电容器C ₂具有大的电容值，所以其电压电平（充电和放电）以较慢的速率变化。_{因此，它在 Q 2}输出的斜坡生成期间缓慢放电并保持几乎恒定的值。

在斜坡时间内，二极管 D 反向偏置。电容C ₂提供小电流I _C1给电容C ₁充电。由于电容值较大，虽然提供了电流，但其充电效果并没有多大区别。当 Q ₁在斜坡时间结束时导通时，C ₁快速放电至其初始值。该电压出现在 V _O两端。因此，二极管D再次获得正向偏置，并且电容器C ₂获得电流脉冲以恢复其在C ₁充电期间损失的少量电荷。现在，电路已准备好产生另一个斜坡输出。

电容器C2有助于向电容器 C1 提供一些反馈电流，充当提供恒定电流的自举电容器。

输出波形

得到的输出波形如下图所示。

输入端给出的脉冲和电压 V _C1表示对输出有贡献的电容器 C _{1的充电和放电，如上图所示。}

优势

该自举斜坡发生器的主要优点是输出电压斜坡非常线性，并且斜坡幅度达到电源电压电平。

脉冲电路 - 米勒扫频发生器

晶体管米勒时基发生器电路是流行的米勒积分器电路，可产生扫描波形。这主要用于水平偏转电路。

让我们尝试了解米勒时基发生器电路的构造和工作原理。

米勒扫频发生器的构造

米勒时基发生器电路由初级开关和定时电路组成，其输入取自施密特门发生器电路。放大器部分如下，有三级，第一级是射极跟随器，第二级是放大器，第三级也是射极跟随器。

射极跟随器电路通常充当缓冲放大器。它具有低输出阻抗和高输入阻抗。低输出阻抗使电路能够驱动重负载。高输入阻抗可防止电路不加载其先前的电路。最后一个射极跟随器部分不会加载前一个放大器部分。因此，放大器增益会很高。

_{放置在Q 1的基极和Q 3}的发射极之间的电容器C是定时电容器。_{R 和 C 的值以及 V BB}电压电平的变化会改变扫描速度。下图显示了米勒时基发生器的电路。

米勒扫频发生器的操作

当施密特触发器发生器的输出为负脉冲时，晶体管Q ₄导通，发射极电流流过R ₁。发射极处于负电位，并且相同的电位施加在二极管D的阴极上，这使得它正向偏置。由于此处电容器 C 被旁路，因此不会充电。

施加触发脉冲使施密特门输出为高电平，这反过来又使晶体管Q ₄截止。_{现在，在Q 4}的发射极施加10v的电压，使电流流过R ₁，这也使二极管D反向偏置。当晶体管 Q _{4处于截止状态时，电容器 C 通过 R 从 V BB}充电，并在 Q ₃的发射极提供耗尽扫描输出。在扫描结束时，电容器 C 通过 D 和晶体管 Q _4放电。

_{考虑到电容 C 1}的影响，斜率速度或扫描速度误差由下式给出

$$e_s = \frac{V_s}{V} \left( 1- A + \frac{R}{R_i} + \frac{C}{C_i} \right )$$

应用领域

米勒扫描电路是许多设备中最常用的积分器电路。它是一种广泛使用的锯齿发电机。

脉冲电路 - 单结晶体管

单结晶体管是一种具有单个 PN 结的晶体管，但仍然不是二极管。单结晶体管（或简称UJT）与普通晶体管不同，有一个发射极和两个基极。该元件因其负阻特性及其作为张弛振荡器的应用而特别出名。

UJT的建设

高电阻 n 型硅条被认为形成基础结构。两端均绘制有两个欧姆触点，均为底座。其上附有一个铝棒状结构，该结构成为发射器。该发射极靠近基极 2，距离基极 1 稍远。两者结合形成 PN 结。由于存在单个 PN 结，该元件被称为单结晶体管。

棒内部存在称为本征电阻的内阻，其电阻值取决于棒的掺杂浓度。UJT的结构和符号如下所示。

符号中，发射极用倾斜箭头表示，其余两端表示基极。由于UJT被理解为二极管和一些电阻的组合，因此可以用等效图来表示UJT的内部结构来解释UJT的工作原理。

UJT的工作原理

UJT的工作原理可以通过其等效电路来理解。发射极施加的电压表示为 V _E，基极 1 和基极 2 的内阻分别表示为 R _B1和 R _B2。内部存在的两种电阻统称为固有电阻，表示为R _BB。RB1两端的电压可以表示为V ₁。电路工作所施加的直流电压是V _BB。

UJT 等效电路如下所示。

最初当没有施加电压时，

$$V_E = 0$$

_{然后通过R B2}施加电压V _BB。二极管D将处于反向偏置状态。二极管两端的电压为 VB，即发射极二极管的势垒电压。由于施加了V _BB，A点处出现了一些电压。因此，总电压将为V _A + V _B。

现在，如果发射极电压V _E增加，则电流I _E流过二极管D。该电流使二极管正向偏置。载流子被感应并且电阻R _B1继续减小。_{因此，R B1}两端的电势（即 V _B1）也会降低。

$$V_{B1} = \left( \frac{R_{B1}}{R_{B1} + R_{B2}} \right )V_{BB}$$

由于V _BB恒定并且R _B1由于沟道的掺杂浓度而减小至最小值，因此V _B1也减小。

实际上，内部存在的电阻统称为本征电阻，用R _BB表示。上述电阻可表示为

$$R_{BB} = R_{B1} + R_{B2}$$

$$\left( \frac{R_{B1}}{R_{BB}} \right ) = \eta$$

符号 η 用于表示所施加的总电阻。

_{因此 V B1}两端的电压表示为

$$V_{B1} = \eta V_{BB}$$

发射极电压为

$$V_E = V_D + V_{B1}$$

$$V_E = 0.7 + V_{B1}$$

其中 VD_是二极管两端的电压。

当二极管正向偏置时，其两端的电压将为 0.7v。因此，这是恒定的，并且 V _B1继续减小。因此V _E继续减小。它降低到最小值，可表示为 V _V，称为谷电压。UJT 开启时的电压是峰值电压，表示为 V _P。

UJT的六大特点

从下图可以清楚地理解到目前为止讨论的概念。

最初，当 V _E为零时，一些反向电流 IE 流动，直到 VE 的值达到某个点

$$V_E = \eta V_{BB}$$

这是曲线与 Y 轴相交的点。

当 V _E达到电压时，

$$V_E = \eta V_{BB} + V_D$$

此时，二极管正向偏置。

此时的电压称为VP _（峰值电压），此时的电流称为IP _（峰值电流）。到目前为止，图中的部分被称为截止区域，因为 UJT 处于关闭状态。

现在，当V _E进一步增大时，电阻R _B1和电压V ₁也减小，但通过它的电流增大。这就是负阻特性，因此该区域被称为负阻区。

现在，电压V _{E达到某一点，进一步增加导致R B1}两端的电压增加。此时的电压称为 V _V（谷值电压），此时的电流称为 I _V（谷值电流）。此后的区域称为饱和区域。

UJT的应用

UJT 主要用作张弛振荡器。它们也用于相位控制电路。此外，UJT 还广泛用于为数字电路提供时钟、为各种设备提供定时控制、晶闸管的受控点火以及为 CRO 中的水平偏转电路提供同步脉冲。

UJT 作为弛豫振荡器

振荡器是一种无需任何输入即可自行产生波形的设备。虽然器件工作时施加了一些直流电压，但它不会产生任何波形作为输入。张弛振荡器是一种自行产生非正弦波形的装置。该波形通常取决于电路中电容器的充电和放电时间常数。

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