Capitolul 7 Circuite de impulsuri

215

CAPITOLUL 7

CIRCUITE DE IMPULSURI

7.1. Comportarea circuitelor simple la un semnal dreptunghiular

Se prezintă pe scurt cum se comportă elementele reactive şi circuitele simple la

acţiunea unui semnal dreptunghiular ideal.

7.1.1. Elementele reactive

Bobina, dacǎ este supusă unui semnal dreptunghiular de tensiune, atunci

rezultatul, curentul prin bobină va fi (figura 7.1):

tL

Utu

Li LL d1

(7.1)

Curentul este liniar crescǎtor iar panta este cu atât mai mare cu cât saltul de

tensiune este mai mare şi bobina are inductanţa de valoare mai mică. Cu cât L este mai

mare cu atât variaţia curentului este mai lentă.

Fig. 7.1. Bobină sub impuls dreptunghiular

Un semnal dreptunghiular de curent (ideal) nu poate fi aplicat unei bobine

deoarece ar conduce la salturi infinite de tensiune, imposibile în realitate:

t

iLuL

d

d (7.2)

şi dacă curentul variazǎ prin salt derivata este infinită.

Similar, dacă un condensator este supus unui semnal dreptunghiular de curent,

(situaţie mult mai des întâlnită în practică) atunci rezultatul, tensiunea pe condensator

va fi (figura 7.2):

DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE

216

tC

Iti

Cu CC d1

(7.3)

Fig. 7.2. Condensator sub impuls dreptunghiular

Tensiunea la bornele condensatorului este liniar crescǎtoare iar panta este cu

atât mai mare cu cât saltul de curent este mai mare şi condensatorul are capacitatea de

valoare mai mică. Cu cât C este mai mare cu atât variaţia tensiunii este mai lentă.

Schimbarea sensului curentului, adică aplicarea unui impuls bipolar conduce la

micşorarea tensiunii, variaţia fiind tot liniară. Se pot obţine astfel forme triunghiulare

sau în dinte de fierăstrău cum sunt numite cele nesimetrice (figura 7.3). Pentru

revenirea tensiunii la nivelul zero în acest caz, trebuie ca sarcina adăugată şi cea

evacuată sǎ fie egale (suprafeţele mai întunecate).

Fig. 7.3. Condensator ca formator de impulsuri triunghiulare

Un semnal dreptunghiular de tensiune nu poate fi aplicat unui condensator

deoarece ar conduce la salturi infinite de curent.

Capitolul 7 Circuite de impulsuri

217

7.1.2. Comportarea circuitului RC serie la semnal dreptunghiular

Unul din circuitele simple de formare a impulsurilor este circuitul RC. Se

prezint aici cum funcţioneazǎ aceastǎ combinaţie atunci când este supusǎ acţiunii unui

impuls dreptunghiular de tensiune suficient de lung, mult mai lung dacǎ regimul

tranzitoriu de încǎrcare şi descǎrcare a condensatorului (figura 7.4)

Fig. 7.4. Circuit RC sub impuls dreptunghiular

Pe condensator tensiunea creşte după o curbă exponenţialǎ a cărei pantă iniţială

depinde de constanta de timp a circuitului, τ = RC şi scade la deconectare, similar. Pe

rezistenţă apar impulsuri cu salt urmate de descreştere exponenţială similarǎ, salturile

fiind atât pozitive, ca răspuns la tranziţia directă, cât şi negative, ca răspuns la tranziţia

inversă.

7.1.3. Comportarea circuitului RL serie la semnal dreptunghiular

Unul al doilea circuit simplu de formare a impulsurilor este circuitul RL sub

acţiunea unui acelaşi impuls dreptunghiular de tensiune suficient de lung faţă de

constanta de timp a circuitului, τ = R/L (figura 7.5).

Pe rezistenţă tensiunea creşte după o curbă exponenţialǎ a cărei pantă iniţială

depinde de constanta de timp a circuitului, τ = L/R şi scade la deconectare similar. Pe

DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE

218

bobină apar impulsuri cu salt urmate de descreştere exponenţială, salturile fiind atât

pozitive, ca răspuns la tranziţia directă, cât şi negative, ca răspuns la tranziţia inversă.

Fig. 7.5. Circuit RL sub impuls dreptunghiular

7.1.4. Efectul sarcinii şi a condensatorului de accelerare la circuitul RC

Un circuit RC de tipul prezentat nu este utilizat ca un singur element ci în

circuite mai complexe. Asta înseamnă că ieşirea este conectată la un alt circuit care are

la rândul lui o rezistenţa de intrare (presupunem că nu are componente reactive) ca

sarcină echivalentă.

Atunci forma tensiunilor rămâne aceeaşi dar se modifică nivelul maxim care se

reduce conform divizorului rezistiv care se formează (fig. 7.6) şi în plus timpii de

comutaţie se micşoreazǎ pentru că rezistenţa echivalentă la bornele condensatorului

este mai mică şi deci şi constanta de timp este mai mică.

Dacă însă se conectează un alt condensator în paralel pe rezistența R, atunci se

pot micşora timpii de comutaţie şi formele de undǎ pot să arate, la o alegere corectă a

elementelor, ca în secţiunea finalǎ a figurii 7.6.

Metoda este larg folositǎ pentru a micşora timpii de tranziţie la un comutator cu

tranzistor, iar condensatorul suplimentar se numeşte de accelerare.

Capitolul 7 Circuite de impulsuri

219

Fig. 7.6. Circuit RC cu sarcină şi condensator de accelerare

7.1.5. Comportarea circuitului RLC serie la semnal dreptunghiular

Un circuit RLC serie (figura 7.7) se comportă în două moduri diferite la

acţiunea unui semnal de tensiune dreptunghiular în funcţie de doi parametri ai

circuitului:

Amortizarea: L

R

2 (7.4)

Frecvenţa de rezonanţă: LC

f2

10 (7.5)

Dacă amortizarea este mai mare decât ω0 (2π f0) circuitul este amortizat iar dacă

este mai mică circuitul este oscilant. Egalitatea are loc dacǎ circuitul este amortizat

critic.

Fig. 7.7. Circuit RLC serie

DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE

220

Fig. 7.8.a. Regim amortizat

Fig. 7.8.b. Regim amortizat critic

Fig. 7.8.c. Regim oscilant

Capitolul 7 Circuite de impulsuri

221

Pentru fiecare caz în parte forma mărimilor principale poate fi urmărită pe

figurile 7.8. Chiar dacă un circuit comandat cu semnal dreptunghiular nu are

inductanţe în componenţǎ, inductanţa parazită a linilor de conexiune poate provoca

apariţia unor oscilaţii suprapuse peste semnalul dreptunghiular a căror eliminare este

uneori dificilă. Ca idee generală trebuie mărită rezistenţa circuitului pentru a-l aduce

sub punctul critic.

Pentru circuitul RLC paralel lucrurile sunt similare, dar circuitul trebuie supus

unui curent dreptunghiular iar răspunsul este tensiunea la borne.

7.2. Circuite elementare de formare a impulsurilor

Circuitele elementare de formare se împart în trei categorii importante:

1. Circuite de formare cu elemente pasive, de tip RC sau RL, primele fiind mai

des utilizate;

2. Circuite de limitare cu diode;

3. Circuite de formare cu amplificatoare;

7.2.1. Circuite RC de formare a impulsurilor

Un circuit de formare RC are douǎ elemente de circuit pasive, o rezistenţă, R şi

un condensator, C, care, prin cele doua moduri distincte de aşezare în schemǎ

formatorului conduc la obţinerea a douǎ tipuri de circuite de formare, unul numit de

derivare a impulsurilor, al doilea de integrare a impulsurilor, funcţionarea lor amintind

de cele douǎ operaţii matematice.

Circuit RC de derivare a impulsurilor

Circuitul are schema şi formele principale ale tensiunilor prezentate în figura

7.9. Grupul RC este în formǎ de cuadripol de tip gama. La bornele de intrare este o

succesiune de impulsuri dreptunghiulare. La bornele de ieşire se obţin, la fiecare dintre

fronturile impulsurilor de intrare, impulsuri ascuţite, cu front iniţial abrupt dar cu

frontul următor mai puţin abrupt, de formǎ exponenţialǎ. Este esenţial că pentru

fronturile crescǎtoare se obţin impulsuri pozitive, iar pentru fronturile descrescǎtoare

se obţin impulsuri negative. Sunt marcate în acest fel şi pot fi apoi uşor decalate cele

doua tipuri de fronturi cât şi momentele de timp la care apar fiecare.

Pentru ca circuitul sǎ funcţioneze ca în figurǎ, trebuie îndeplinitǎ o condiţie, şi

anume:

τ = RC << min (Ti,Tp), (7.6)

DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE

222

adicǎ trebuie ca grupul R, C sǎ aibă constanta de timp, τ = RC mult mai micǎ decât cea

mai micǎ dintre duratele impulsului sau pauzei succesiunii de impulsuri de la intrare.

Fig. 7.9 . Circuit de derivare Fig. 7.10. Circuit de integrare a

a impulsurilor impulsurilor

Circuit RC de integrare a impulsurilor

Circuitul are schema şi formele principale ale tensiunilor prezentate în figura

7.10.

Grupul RC este în forma de cuadripol de tip gama. La bornele de intrare este o

succesiune de impulsuri dreptunghiulare. La bornele de ieşire se obţin impulsuri cvasi-

triunghiulare cu pante de formǎ exponenţiala. Circuitul este mult mai rar utilizat, de

obicei pentru separarea simpla a impulsurilor dupǎ lǎţime prin translatarea lǎţimii în

înǎlţime, un parametru al impulsurilor mult mai uşor de evaluat.

Ce se întâmpla dacǎ impulsurile au lǎţimi mult diferite se poate observa în

figura 7.11. Pentru ca circuitul sǎ funcţioneze corect trebuie îndeplinitǎ o condiţie, şi

anume:

τ = RC >> max (Ti,Tp), (7.7)

Capitolul 7 Circuite de impulsuri

223

adicǎ trebuie ca grupul RC sǎ aibă constanta de timp, τ = RC mult mai mare decât cea

mai mare dintre duratele impulsului sau pauzei succesiunii de impulsuri de la intrare.

Fig. 7.11. Translaţie timp-nivel

7.2.2. Circuite de limitare cu diode

Limitarea se referǎ aici la amplitudinea impulsurilor. Cu ajutorul circuitelor de

limitare amplitudinea impulsurilor este fixatǎ între douǎ limite precise. De obicei una

dintre limite este zero.

Cel mai simplu circuit de limitare a impulsurilor este reprezentat de o simpla

diodǎ, conectatǎ ca în figura 7.12. Presupunem cǎ avem la intrarea circuitului de

limitare o succesiune de impulsuri pozitive şi negative cum sunt acelea obţinute cu

ajutorul circuitului RC de derivare.

Dacǎ dioda este cu sensul din prima variantǎ de schema (a), atunci are ca efect

limitarea impulsurilor de intrare între nivelul zero şi nivelul U de tensiune. Se obţine

de fapt selecţia impulsurilor pozitive (tensiunea u2) sau echivalent, eliminarea

impulsurilor negative.

Dacǎ dioda este cu sensul din varianta a doua (b), atunci are ca efect limitarea

impulsurilor de intrare între nivelul zero şi nivelul negativ, -U de tensiune. Se obţine

de fapt selecţia impulsurilor negative (tensiunea u2).

O a doua categorie de circuite de limitare cu diode limiteazǎ amplitudinea

impulsurilor la o valoare mai micǎ decât amplitudinea lor maximǎ de la intrarea circuitului. Douǎ dintre variantele simple sunt prezentate în figura 7.13. Amplitudinea

impulsurilor la ieşirea circuitului este datǎ în prima variantǎ (a) de valoarea unei surse

de tensiune continuǎ auxiliarǎ iar în a doua variantǎ de schema (b) de valoare tensiunii

de deschidere a diodei Zener.

DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE

224

Fig. 7.12. Circuite de limitare simple 7.13. Circuite de limitare cu prag

7.2.3. Circuite de formare a impulsurilor cu amplificatoare

Un circuit frecvent utilizat pentru formarea impulsurilor este cel din figura 7.14

şi care nu este altceva decât este un amplificator cu tranzistor în conexiune emitor

comun. Cum am amintit când am prezentat schema, pânǎ la o anumitǎ frecvenţǎ sau

timpi de tranziţie efectul este îmbunǎtaţirea fronturilor impulsurilor (figura 7.10).

Calitatea fronturilor depinde direct de amplificarea în tensiune a amplificatorului.

Fig. 7.14. Formator de impulsuri cu amplificator cu tranzistor

Capitolul 7 Circuite de impulsuri

225

Circuitul e utilizat deseori pentru transformarea impulsurilor sinusoidale în

impulsuri dreptunghiulare aşa cum se poate urmǎri pe figura 7.14. În general când

fronturile nu trebuie să fie rapide soluţia cea mai ieftinǎ este un astfel de amplificator.

Un dezavantaj al acestui circuit este acela cǎ, în special la fronturile descrescǎtoare,

pot sǎ aparǎ întârzieri importante între fronturile de la intrare şi cele de la ieşire O altǎ variantǎ mai bunǎ este amplificatorul diferenţial, fie cu tranzistoare, fie

în varianta amplificator operaţional. O schemă simplificată este prezentată în figura

7.15. Impulsurile de ieşire sunt în acest caz bipolare, amplitudinea lor fiind între +EA

...-EA dar pot fi readuse cu uşurinţă la o formă unipolară. Fronturile sunt mult mai

scurte fiindcă AO are o amplificare mult mai mare.

Fig. 7.15. Formator de impulsuri cu AO

Mai sunt folosite în scopul formării de circuite integrate specializate, denumite

comparatoare de tensiune cu funcţionare în comutaţie, numite şi circuite analog-

digitale .

7.3. Circuite basculante

7.3.1. Modelul general al circuitelor basculante

Un circuit basculant este format din douǎ amplificatoare conectate în cascadă

cu o reacţie pozitivă puternică de la ieşire la intrare conform schemei din figura 7.16.

Elementele de cuplaj sunt impedanțele Z1 şi Z2 care pot fi şi de altă natură decât

rezistivă. Schema se desenează obișnuit ca în figura 7.17 pentru a pune în evidentă

simetria schemei. Există în cele mai multe situații o simetrie completă care apare şi în

valoarea elementelor schemei, elementele simetrice pe schemă sunt egale, dar nu este

întotdeauna aşa.

DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE

226

Fig. 7.16. Circuit basculant desenat în variantă nesimetrică.

Fig. 7.17. Circuit basculant desenat în variantă simetrică.

În cazul cel mai general circuitele basculante au două ieșiri, O1 şi O2 între masă

si cele două colectoare ale tranzistoarelor si două intrări, I1 şi I2, în majoritatea

cazurilor între bazele tranzistoarelor şi masă (figura 7.18.a).

a) b)

Fig. 7.18. Circuit basculant: intrări, ieşiri (a) şi reprezentare simplificată (b).

Capitolul 7 Circuite de impulsuri

227

O reprezentare simplificată uzuală prezintă circuitul basculant ca un dreptunghi

cu două secţiuni marcate distinct prin haşurare, cifre sau nuanţe diferite (cazul de aici)

cu ieșirile în partea superioară şi intrările în partea inferioară (figura 7.18.b).Tensiunile

de ieşire sunt aici u1 şi u2.

Din cauza reacţiei pozitive puternice tranzistoarele sunt în zonele limită ale

caracteristicilor de transfer şi anume unul este în zona de saturaţie iar al doilea în zona

de blocare. Cele două tensiuni de ieşire sunt prin urmare, una aproximativ zero,

corespunzătoare tranzistorului în saturație, a doua ridicată, aproape de valoarea

tensiunii de alimentare, conform valorilor din figura 7.19.

Fig. 7.19. Tensiunile de ieșire la un circuit basculant

Există două stări:

S1 cu u1=0 tranzistorul T1 deschis la saturație

u2=EA tranzistorul T2 blocat

S2 cu u1=EA tranzistorul T1 blocat

u2=0 tranzistorul T2 deschis la saturație

Cele două stări sunt complementare.

Circuitul poate trece, fie singur, fie forţat de o comandă exterioară, în starea

complementară. Trecerea se face întotdeauna într-un timp scurt, care se neglijează de

cele mai multe ori şi se numeşte basculare. Deşi tehnic este posibil ca ambele

tranzistoare să fie aduse în aceeași stare, cele două stări trebuie să fie permanent

complementare, astfel că întotdeauna tensiunile de ieşire să fie în opoziţie (figura

7.19). În orice moment de timp, neglijând tranziţiile, una din ieşiri e la nivel ridicat şi a

doua la nivel coborât.

DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE

228

7.3.2. Clasificarea circuitelor basculante

Un circuit basculant are întotdeauna două stări distincte, S1 şi S2.

Cele două stări pot fi la rândul lor de două feluri:

stabilă;

cvasi-stabilă.

Stare stabilă este atunci când circuitul basculant nu poate trece în starea

complementară (nu poate bascula) decât în urma unei intervenţii exterioare, care este

obişnuit un impuls de comandă pe una din intrările circuitului. De fapt prin comandă

trebuie scos unul dintre cele două tranzistoare din starea sa. Din acest moment, datorită

reacţiei pozitive puternice se produce bascularea. În lipsa comenzii starea nu se

schimbă, ieşirile rămân nemodificate un timp indefinit.

Stare cvasi-stabilă este atunci când circuitul basculant va trece în starea

complementară (basculează) fără intervenție exterioară, după trecerea unui interval de

timp care depinde de elementele circuitului.

În funcţie de natura celor două stări S1, S2 circuitele basculante se împart în trei

mari categorii:

Circuit basculant bistabil, CBB, (flip-flop în engleză) au ambele stări stabile,

circuitul este într-una din stări şi trece în starea complementară doar în urma unei

comenzi potrivite; pentru aceste circuite Z1 şi Z2 sunt rezistenţe.

Circuit basculant monostabil sau monovibrator, CBM, au o stare stabilă, şi una

cvasi-stabilă. Circuitul este normal în starea stabilă, trece în starea complementară,

cvasistabilă doar în urma unei comenzi potrivite dar revine singur, după un timp, la

starea stabilă; pentru aceste circuite Z1 şi Z2 sunt una rezistentă, a doua condensator

Circuit basculant astabil sau multivibrator, CBA, au ambele stări cvasi-stabile,

circuitul trece în starea complementară fără comandă şi după un timp revine, tot fără

comanda, la prima stare apoi din nou trece în starea complementară ş.a.m.d.; pentru

aceste circuite Z1 şi Z2 sunt condensatoare.

Există un al patrulea circuit basculant important, este un circuit din familia

circuitelor basculante bistabile: circuit basculant Schmitt, CBS.

7.3.3. Circuite basculante bistabile, CBB

7.3.3.1. Mecanismul de basculare

Un circuit basculant bistabil în cea mai simpla variantă are schema din figura

7.17 şi este de obicei perfect simetric, tranzistoarele sunt identice, rezistenţele din

colectoare egale, RC1=RC2, la fel rezistenţele din bazele tranzistoarelor, RB1=RB2.

Capitolul 7 Circuite de impulsuri

229

Mecanismul de basculare în urma unei comenzi potrivite poate fi urmărit pe

figura 7.20.

Presupunem T1 blocat, I1=0, U1=EA, T2 deschis, U2=0, I2= EA /Rc.

O comandă potrivită trebuie să scoată unul dintre tranzistoare din starea sa.

Dacă se face comanda pentru T1, este nevoie de un impuls pozitiv care creşte UB1. T1

se deschide şi I1 începe să crească. Tensiunea pe RC1 creşte şi concomitent U1 scade

(suma celor două e constantă, U1 + U Rc1= EA). Scăderea se transmite prin RB2 şi

tensiunea UB2 scade. T2 începe să se blocheze. I2 scade, URc2 scade şi U2 creste.

Creşterea se transmite prin RB1 la baza T1, deci UB1 unde începuse ciclul, creşte mai

accentuat, T1 se deschide mai mult, T2 se blochează mai mult ş.a.m.d. până când se

atinge starea 2.

Fig. 7.20. Mecanismul de basculare

7.3.3.2. Moduri de comandă

Comanda separată

O dată ajuns în starea 2, o comandă de acelaşi fel, care să deschidă T1 nu mai

provoacă bascularea, T1 fiind acum deschis. Pentru basculare este nevoie fie de o

comandă care să blocheze T1, adică un impuls negativ, fie un impuls pozitiv pe a doua

intrare. Această variantă, cu impulsuri la fel, aplicate pe rând când la unul când la

altul dintre tranzistoare este varianta utilizată obişnuit.

DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE

230

Fig. 7.21. CBB cu comanda separată (forma mărimilor)

Modul acesta de comandă se mai numește şi comanda separată şi poate fi

urmărit pe diagramele din figura 7.21. Se vede ca CBB basculează în acest mod de

comandă doar atunci când impulsurile de comandă alternează de la o intrare la alta.

Comanda comună

Un alt mod de comandă al CBB este comanda comuna (figura 7.18.a) iar

circuitul este prezentat simplificat în figura 7.18.b. Impulsurile sosesc la o singură

intrare de unde sunt dirijate printr-un circuit de comandă comună la bazele

tranzistoarelor. Circuitul propriu-zis de comanda este mai complicat şi e reprezentat

printr-un bloc. Acest mod de comandă asigură bascularea CBB la fiecare impuls şi

diagrama mărimilor principale se poate vedea in figura 7.22.

Fig. 7.22. CBB cu comanda comuna (forma mărimilor)

Capitolul 7 Circuite de impulsuri

231

7.3.3.3. Utilizarea CBB

CBB are multiple utilizări, dar doua dintre ele sunt cele mai importante. CBB,

sub forme diferite, sunt componentele principale în circuitele de bază ale

calculatoarelor digitale, circuitele de memorare şi cele de calcul.

Utilizarea ca memorie binară

Existenta a două stări stabile face ca CBB să fie utilizat ca celulă de memorie

binară. Pentru una din stări se aloca valoarea 0, pentru a doua valoarea 1 (7.23.a). Cu

un CBB se poate memora o singură cifră binara, care nu poate fi decât 0 sau 1.

Dacă se utilizează şiruri de CBB care se numesc registre, se pot memora

numere mai mari. De exemplu în figura 7.23.b un registru de 4 celule poate memora

cifre binare de la 0000 la 1111, adică de la 0 la 15 zecimal (în figură este cifra 4).

Fig. 7.23. CBB ca celula de memorie (a) şi registru cu 4 celule binare (b)

Utilizarea ca divizor de frecventă (numărătoare)

Atunci când este utilizat în comanda comună, CBB realizează o divizare cu 2 a

impulsurilor de comandă.

Dacă privim schema simplificată şi diagramele din figura 7.24. se poate vedea

că dacă avem la intrare o succesiune de impulsuri de o frecventă f, după ce impulsurile

de ieşire sunt trecute printr-un circuit de derivare şi limitare care păstrează impulsuri

scurte doar pentru fronturile crescătoare se obţine la intrarea CBB2 o succesiune de

impulsuri de 2 ori mai rare. Frecvenţa a scăzut de 2 ori. Sau altfel, la 2 impulsuri de

intrare am obţinut unul la ieşire. Acesta este un numărător cu 2.

DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE

232

Fig. 7.24. Forma tensiunilor la un divizor de frecventă cu trei CBB

Dacă se pun două CBB se face o divizare cu 4 (numără 4 impulsuri), pentru trei

o divizare cu 8 ş.a.m.d. De fapt prin utilizarea unor scheme doar cu puţin mai

complicate se poate face divizare (numărător) cu orice număr.

Capitolul 7 Circuite de impulsuri

233

7.3.3.4. Circuite de comandă pentru CBB

Circuite cu comandă separată

Impulsurile de comandă sunt obţinute obişnuit cu circuite de derivare şi apoi

sunt selectate cele de polaritatea dorită. Impulsul de comandă doar iniţiază procesul de

basculare care se desăvârșește prin mecanismul de reacție pozitivă descris mai înainte.

Comanda CBB se poate face în diferite moduri. Impulsurile de comandă pot fi

aplicate atât pe baza cât şi pe colectorul tranzistoarelor, pot fi atât pozitive cât şi

negative. Comanda pe bază este mai sensibilă decât cea pe colector. Impulsurile de

comandă pot deschide un tranzistor aflat în zona de blocare sau pot bloca un tranzistor

care este în conducţie, la saturaţie sau uneori în zona activă.

Fig. 7.25. CBB cu circuit de comandă separată pe baze

Comanda cu impulsuri care blochează un tranzistor aflat în conducţie are două

avantaje:

- sensibilitatea la comandă a CBB este mai mare;

- energia necesară pentru a produce bascularea este mai mică.

Astfel, pentru un CBB realizat cu tranzistoare npn bascularea se face în condiţii

optime dacă se aplică un impuls negativ pe baza tranzistorului în conducție.

Un astfel de circuit este prezentat în figura 7.25.

Pentru comanda pe colector circuitul de comandă este similar, punctul de

comandă fiind deplasat de pe bazele tranzistoarelor pe colectoarele acestora.

DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE

234

Circuite cu comandă comună

Un circuit de comandă comună produce basculare la fiecare front de o anumită

polaritate. El creează impulsuri de comandă dar mai trebuie să le dirijeze alternativ

spre cele două tranzistoare.

Circuit cu comandă comună pe baze

Un astfel de circuit este prezentat în figura 7.26. Modul de funcţionare este

prezentat în continuare.

Fig. 7.26. CBB cu circuit de comandă comună

Fie circuitul in starea:

T1-saturat

T2-blocat

Tensiunile in diferite puncte ale schemei au următoarele valori tipice (pentru

tranzistoarele cu siliciu) :

UC1=+0,1V;

UB1=+0,7V;

UC2=+EC;

UB2=-0,1V

Capitolul 7 Circuite de impulsuri

235

Dioda D1 are pe anod potenţialul +0,7 V corespunzător celui al bazei

tranzistorului în saturaţie iar pe catod, prin Rd1 are potenţialul +0.1 V şi deci este

polarizată direct cu tensiunea aproximativ 0.6 V fiind la limita de intrare în conducţie.

Dioda D2 are pe anod potenţialul +0,1 V corespunzător, prin rezistenţa R celui

al colectorului tranzistorului în saturaţie iar pe catod, prin Rd2 are potenţialul +EC şi

deci este polarizată invers cu o tensiune aproximativ egală cu EC fiind deci blocată cu

o tensiune mare. Impulsul de declanşare T este diferenţiat de grupurile Rd1, C1 şi Rd2, C2.

Impulsurile pozitive rezultate prin diferenţiere vor fi eliminate de diodele D1 şi D2.

Dintre cele două impulsuri negative rezultate prin diferenţiere, va fi favorizat

cel care se aplică în catodul diodei în conducţie, D1. În acest fel fiecare front negativ

determină comutarea circuitului, deoarece un impuls negativ este aplicat pe baza

tranzistorului conductor.

7.3.4. Circuite basculante monostabile, CBM

Un circuit basculant monostabil in cea mai simpla variantă are schema din

figura 7.27. RB din schema CBB este înlocuită cu un grup R1, C1. Circuitul are în mod

obișnuit o intrare de comandă, în figura este pe baza tranzistorului 1 dar poate fi pusă

atât pe baza tranzistorului 2 cât şi pe colectoare. Poate exista de asemenea, si o a doua

intrare de comandă, sensibila la impulsuri de polaritate opusă.

Fig. 7.27. Circuitul basculant monostabil

Fără o intervenţie exterioară, CBM, se află într-o stare stabilă, T1 blocat şi T2 în

conducţie. T2 este în conducţie prin efectul rezistenţei R1 ce polarizează baza direct de

la sursa de tensiune continuă, ECC.

DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE

236

7.3.4.1 Mecanismul de basculare

Dacă înlocuim tranzistoarele cu schemele echivalente simplificate circuitul este

cel din figura 7.28. Curentul prin T1 şi RC este zero. Ieşirea 1, căreia îi corespunde

tensiunea U1 este la nivel ridicat, ieşirea 2 la nivel coborât. Condensatorul C1 este

încărcat cu o tensiune egala cu ECC, cu semnul din figură.

Fig. 7.28. Schema simplificată în starea stabilă.

Dacă se comandă CBM cu un impuls pozitiv pe baza T1, pentru a-l scoate din

blocare, prin mecanismul de basculare similar cu cel de la CBB se trece, intr-un

interval de timp foarte mic, neglijabil, în starea a doua, T1 deschis, T2 blocat, iar la

începutul acestei stări schema echivalentă a CBM este aceea din figura 7.29.

Fig. 7.29. Schema simplificata la începutul stării cvasi-stabile

Capitolul 7 Circuite de impulsuri

237

Deoarece timpul de basculare este foarte scurt, condensatorul rămâne încărcat

cu aceeaşi tensiune, ca in figură. Dar în acelaşi timp condensatorul începe un proces de

încărcare de la sursă prin rezistenta R1, cu un curent care tinde sa descarce

condensatorul şi sa-l reîncarce cu semn opus. Procesul poate fi urmărit pe figura 7.30,

unde sunt prezentate principalele forme de undă. După basculare tensiunea de bază a

T2, UB2, urmărește evoluţia tensiunii pe condensator. În starea stabilă, până la

momentul t1, T2 era deschis şi tensiunea UB2 era egală cu aproximativ 0,7V. La ieșiri

tensiunile erau la nivel coborât, U2, ridicat, U1.

Fig. 7.30. Forma tensiunilor CBM

În momentul t1 se produce bascularea. La ieșiri tensiunile se inversează.

Tensiunea pe baza tranzistorului T2 are un salt de la +0,7 V la o valoare negativă, egală

cu tensiunea pe condensator, aproximativ –EA. Din acest moment începe descărcarea C

prin R (curentul iR) şi tensiunea pe condensator ca şi pe baza T2 începe să crească spre

zero după o curbă exponențială tipica. Fără prezenţa tranzistorului T2 tensiunea pe

condensator ar trece de zero şi ar ajunge în final la valoarea ECC (linia punctata). Dar

prezenţa tranzistorului face ca o data ce tensiunea pe condensator şi pe baza T2 ajunge

la valoarea de deschidere a T2 (aproximativ 0,7 V), momentul t2, tranzistorul să se

deschidă şi schema să basculeze înapoi în starea iniţială. Intr-adevăr starea este cvas-

stabilă deoarece circuitul basculează singur din această stare.

Schema echivalentă în acest moment este iarăși aceea din figura 7.28.

Tensiunea U2 trece brusc, prin deschiderea T2, la valoare scăzută iar aceea din

colectorul T1 la valoare ridicată. O particularitate este că U1 nu are o evoluţie prin salt,

ci ea urmărește procesul de încărcare al condensatorului, de data aceasta prin RC şi

deci are o forma exponenţiala, dar mult mai rapidă decât în cazul încărcării prin R1

(starea cvasi-stabila) fiindcă RC este mult mai mică decât R1.

DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE

238

Timpul în care CBM rămâne în starea cvasi-stabilă depinde de constanta de

timp a circuitului de încărcare, R1C1. Acest timp este dat de formula aproximativă:

Ti = 0,7 R1C1 (7.8)

7.3.4.2. Utilizarea CBM

Circuitul are utilizări diverse, câteva fiind amintite în continuare.

-Formator de impulsuri de o lățime dată (figura 7.31).

Fig. 7.31. Formator de impulsuri cu CBM

-Circuit de întârziere a impulsurilor. Impulsul ce trebuie întârziat se foloseşte ca

impuls de comandă. După un interval egal cu 0,7 RC, la bascularea inversă acesta este

refăcut, dar cu întârzierea amintită.

-Circuit de temporizare (releu de timp), mecanismul fiind identic cu cel de

întârziere.

7.3.5. Circuite basculante astabile, CBA

Un circuit basculant astabil în cea mai simplă variantă are schema din figura

7.32.a. Rezistenţele RB din schema CBB sunt înlocuite cu grupuri RC. Circuitul are

două ieșiri şi nu are în mod obișnuit intrări dar exista varianta mai complexa cu intrări

de sincronizare.

Ambele stări fiind cvasi-stabile circuitul trece, printr-un mecanism similar cu

cel descris la CBM, dintr-o stare în alta, fora intervenţie exterioară. Forma tensiunilor

de ieşire este prezentată în figura 7.32.b. Circuitul este în fond un oscilator. Alimentat,

el produce la ieşire o succesiune de impulsuri. Perioadele specifice, Ti şi Tp depind de

constantele de timp ale grupurilor RC fiind conforme formulei (7.8), 0,7 R1C1 şi 0,7

R2C2.

Circuitul este folosit îndeosebi ca generator de impulsuri.

Capitolul 7 Circuite de impulsuri

239

a) b)

Fig. 7.32. Circuit basculant astabil (a) si forma tensiunilor (b)

7.3.6. Circuite basculante Schmitt, CBS

7.3.6.1. Schema şi funcţionarea CBS

Un circuit basculant Schmitt în cea mai simpla variantă are schema din figura

7.33.a. Cele doua tranzistoare au o rezistenţa comuna de emitor. Circuitul are o intrare,

baza primului tranzistor şi doua ieșiri care sunt in colectoarele tranzistoarelor şi care

sunt complementare ca la toate circuitele basculante.

a) b)

Fig. 7.33. Circuit basculant Schmitt (a) si forma tensiunilor (b)

O deosebire faţă de circuitele basculante prezentate anterior este aceea că

tensiunile de ieșire au un nivel coborât net mai mare decât nivelul de zero.

DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE

240

Modul de funcţionare al circuitului poate fi înţeles urmărind formele

principalelor mărimi din figura 7.33.b. La intrare se presupune o tensiune de o forma

oarecare. Până când tensiunea de intrare este sub un prag, denumit prag superior,

circuitul este în starea 1, T1 blocat, T2 deschis. La atingerea pragului superior circuitul

basculează (exista o reacție pozitiva puternică prin R1) în starea 2, T1 deschis, T2

blocat. Dacă tensiunea de intrare coboară sub pragul superior CBS nu basculează

înapoi în starea 1. El va rămâne în starea 2 până când tensiunea de intrare atinge un al

doilea prag, mai mic, denumit pragul inferior. Doar când tensiunea de intrare coboară

sub acest prag inferior CBS basculează.

Pragurile pot fi alese din proiectare şi se păstrează cu precizie. Viteza de

tranziție şi deci fronturile sunt mai rapide decât la alte variante de circuite basculante.

7.3.6.2. Utilizarea CBS

CBS are multiple utilizări. Două dintre cele mai importante sunt prezentate în

paragraful de faţă.

Formator de impulsuri

O calitate a CBS este, cum am amintit, viteza mare de basculate şi deci fronturi

mai rapide decât la alte variante de circuite basculante. Această calitate face ca CBS sa

fie utilizat ca circuit de corectare a fronturilor impulsurilor (figura 7.34).

Fig. 7.35. Formator de impulsuri cu CBS

Selector de impulsuri

Faptul că bascularea se produce la nivele precise ale tensiunii fac ca CBS sa fie

utilizat ca detector de nivel. In figura 7.36 doar impulsurile mai înalte de nivelul

pragului superior sunt selectate.

7.3.6.3. CBS cu amplificator operaţional

Privind schema CBS din figura 7.37 se poate observa că el este în esenţă un

amplificator diferenţial cu reacţie pozitivă. Dar un AO nu este altceva decât un

Capitolul 7 Circuite de impulsuri

241

amplificator diferenţial cu performanţe superioare realizat sub formă integrată. Din

acest motiv CBS poate fi realizat şi cu ajutorul AO.

Fig. 7.36. Detector de nivel al impulsurilor cu CBS

Un CBS cu AO are reacţie pozitivă, realizată cu ajutorul unei rezistenţe de

reacţie între ieșire si intrarea neinversoare.

Tensiunea de intrare poate fi aplicată pe oricare dintre cele două intrări şi

funcţie de acest fapt circuitele CBS cu AO sunt de două feluri, ambele prezentate în

continuare.

7.37. CBS cu AO fără inversare.

CBS fără inversare

Tensiunea de intrare se aplică în acest caz, ca şi tensiunea de reacţie, pe intrarea

neinversoare. Schema simplificată este prezentată în figura 7.37.

Observaţie : deși seamănă cu amplificatorul inversor cu AO aici reacţia este

pozitivă, rezistenţa de reacţie leagă ieşirea cu intrarea neinversoare (+) !

Deoarece reacţia este pozitivă, puternică, AO nu este în regim de amplificare,

cu UO între +EA şi -EA (am presupus amplificatorul alimentat de la o sursă dublă) ci în

saturaţie, UO fiind fie la valoarea de saturaţie superioară, o presupunem egală cu EA,

fie la valoarea de saturaţie inferioară, o presupunem egală cu -EA.

DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE

242

Dacă presupunem UI la nivel coborât, -EA, atunci UO este de asemenea, -EA.

Situaţia se menţine până când, prin creşterea UI se atinge nivelul la care Ui depăşeşte

nivelul 0 V. Calcule simple arată că acest lucru se întâmplă când tensiunea de intrare

devine pozitivă, egala cu :

UI = EA R/RF,

moment în care circuitul basculează şi UO devine +EA. Dacă intrarea se modifică între

aceleaşi limite, +EA şi -EA se observă că mai există o condiţie de basculare :

R <RF

Creşterea tensiunii de intrare nu mai influenţează comportarea circuitului.

Dacă tensiunea de intrare scade, se poate arăta că bascularea inversă are loc la

nivelul :

UI = -EA R/RF,

CBS cu inversare

Tensiunea de intrare se aplică în acest caz pe intrarea neinversoare. Schema

simplificată este prezentată în figura 7.38.

7.38. CBS cu AO cu inversare.

Observaţie : deși seamănă cu amplificatorul neinversor cu AO aici reacţia este

pozitivă, rezistenţa de reacţie leagă ieşirea cu intrarea neinversoare (+) !

Funcţionarea este similară şi chiar şi pragurile de basculare se păstrează.