脉冲电路 - 快速指南

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脉冲电路 - 信号

一个信号不仅携带信息，而且还表示电路的状态。任何电路的功能都可以通过它产生的信号来研究。因此，我们将从简要介绍信号开始本教程。

电子信号

电子信号类似于我们遇到的普通信号，它指示某些东西或告知某些东西。电子信号的图形表示提供了有关信号幅度或相位等参数周期性变化的信息。它还提供有关电压、频率、周期等信息。

这种表示为所传达的信息或接收到的信号带来了一些形状。当根据一定的变化形成这样的信号形状时，可以赋予不同的名称，例如正弦信号、三角波信号、锯齿波信号和方波信号等。

这些信号主要分为两种类型，即单向信号和双向信号。

• 单向信号 - 信号仅在一个方向（正向或负向）流动时，这样的信号称为单向信号。

  示例 - 脉冲信号。

• 双向信号 - 信号在正负方向交替变化，穿过零点时，这样的信号称为双向信号。

  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

脉冲形状是由基线值快速或突然地瞬态变化到较高或较低的值形成的，并在一段时间后返回到相同的基线值。这样的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序列。一系列脉冲表示从基线电平突然上升到高电平和突然下降到低电平的转换，分别可以理解为开/关。

因此，脉冲信号表示信号的开和关。如果给电开关一个脉冲输入，它将根据给定的脉冲信号打开/关闭。稍后可以讨论产生脉冲信号的这些开关。

与脉冲信号相关的术语

有一些与脉冲信号相关的术语应该了解。这可以通过下图来理解。

从上图中，

• 脉冲宽度 - 脉冲的长度

• 波形的周期 - 从一个周期的任意点到下一个周期的相同点的测量值

• 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 - 当波形的上升沿超过其正常最大值时，据说发生了过冲。

• 下冲 - 当波形的下降沿超过其正常最大值时，据说发生了下冲。

• 振铃 - 过冲和下冲之后都会出现阻尼振荡，称为振铃。

阻尼振荡是表示信号幅度和频率减小的信号变化，这些信号无用且不需要。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 进行电子开关的概念。我们已经在我们的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

开关是一种建立或断开电路或触点的设备。此外，它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无火花地切换。基本部件是开关及其相关电路。

有三种类型的开关。他们是 -

• 机械开关
• 机电开关或继电器
• 电子开关

机械开关

机械开关是我们之前使用的较旧类型的开关。但它们已被机电开关取代，并在一些应用中也被电子开关取代，以克服前者的缺点。

机械开关的缺点如下：

• 它们具有高惯性，限制了操作速度。
• 它们在断开触点时会产生火花。
• 开关触点制成重型以承载更大的电流。

机械开关如下面的图所示。

这些机械开关已被机电开关或继电器取代，后者具有良好的操作速度并减少了火花。

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。它们比电子开关尺寸更大，比机械开关尺寸更小。

继电器的构造

继电器的构造方式是，触点的闭合为负载供电。在外电路中，我们有负载电源为负载供电，线圈电源控制继电器的运行。在内部，一个杠杆通过一个硬弹簧连接到铁轭上以将杠杆向上支撑。一个螺线管通过绕在其周围的操作线圈连接到轭上。该线圈连接到如上所述的线圈电源。

下图说明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，建立一条通电路径，使螺线管通电。杠杆通过一个重弹簧连接，该弹簧向上拉动杠杆并保持。螺线管通电后，会将杠杆向其拉动，克服弹簧的拉力。当杠杆被拉动时，动触点与静触点接触以连接电路。因此，电路连接接通或建立，灯亮表示这一点。

当开关断开时，螺线管不获得任何电流并断电。这使杠杆没有对螺线管的任何吸引力。弹簧向上拉动杠杆，从而断开触点。因此，电路连接断开。

下图显示了实际继电器的外观。

现在让我们看看机电开关的优缺点。

优点

• 即使在负载处处理大功率时，继电器也消耗较少的能量。
• 操作员可以距离更远，即使处理高电压也可以。
• 通断时无火花。

缺点

• 操作速度慢
• 零件容易磨损

继电器中的锁存类型

根据继电器的操作模式，有许多类型的继电器，例如电磁继电器、固态继电器、热继电器、混合继电器、簧片继电器等。

继电器借助锁存器建立连接，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) - 此锁存器具有一个刀片，并掷到一个掷上以建立连接。

• 单刀双掷 (SPDT) - 此锁存器具有一个刀片和两个掷，以建立连接。它可以选择与两个不同的电路连接，为此连接了两个掷。

• 双刀单掷 (DPST) - 此锁存器具有两个刀片和一个掷，以建立连接。两个电路中的任何一个都可以选择与在单掷处提供的电路建立连接。

• 双刀双掷 (DPDT) - 此锁存器具有两个刀片，并掷到两个掷上以同时建立两个连接。

下图显示了所有四种类型的锁存连接的示意图。

电子开关

接下来要讨论的开关类型是电子开关。如前所述，晶体管因其高速运行和无火花而成为最常用的电子开关。

下图显示了一个实际的电子电路，该电路构建为使晶体管充当开关。

当晶体管在饱和区工作时，它在开状态下充当开关。当它在截止区工作时，它在关状态下充当开关。它在线性区域充当放大器，线性区域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。

当外部条件非常恶劣且温度很高时，简单的普通晶体管将无法满足要求。对于此类用途，使用了一种名为硅控整流器，简称SCR的特殊器件。这将在功率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

• 尺寸更小
• 重量更轻
• 火花操作
• 没有活动部件
• 不易磨损
• 无噪音操作
• 操作速度更快
• 比其他开关更便宜
• 维护成本更低
• 由于固态而提供无故障服务

晶体管是一种简单的电子开关，具有高速运行的特点。它是一种固态器件，所有触点都很简单，因此在操作过程中避免了火花。我们将在下一章讨论晶体管中开关操作的阶段。

脉冲电路 - 晶体管作为开关

通过驱动晶体管处于饱和或截止状态，将其用作电子开关。这两个区域之间的区域是线性区域。晶体管在此区域充当线性放大器。饱和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

晶体管的工作中有两个主要区域，我们可以将其视为开和关状态。它们是饱和和截止状态。让我们看看晶体管在这两种状态下的行为。

在截止条件下的操作

下图显示了处于截止区域的晶体管。

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

加在集电极上的电压V_CC，会出现在集电极电阻R_C两端。因此，

V_CE = V_CC

饱和区的运行

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，I_C流过R_C。

然后V_CC降落在R_C两端。输出将为零。

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

实际上，这是理想情况。实际上，会有一些漏电流流动。因此，我们可以理解，当通过向基极施加正电压和负电压来驱动晶体管进入饱和区和截止区时，晶体管可以作为开关工作。

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。如果晶体管被驱动到饱和状态，I_C完全流动并且V_CE = 0，这由点A指示。

如果晶体管被驱动到截止状态，I_C将为零并且V_CE = V_CC，这由点B指示。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电压，因此称为直流负载线。

实际考虑因素

尽管上述条件都令人信服，但要获得此类结果，存在一些实际限制。

在截止状态期间

理想晶体管具有V_CE = V_CC和I_C = 0。

但在实践中，较小的漏电流流过集电极。

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。

在饱和状态期间

理想晶体管具有V_CE = 0和I_C = I_C(sat)。

但在实践中，V_CE会降低到某个称为膝电压的值。

当V_CE降低到低于膝电压时，β会急剧下降。

由于I_C = βI_B，这会降低集电极电流。

因此，保持V_CE在膝电压下的最大电流I_C被称为饱和集电极电流。

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

仅为了使其用于开关目的而制造的晶体管称为开关晶体管。它在饱和区或截止区工作。在饱和状态下，集电极饱和电流流过负载，而在截止状态下，集电极漏电流流过负载。

晶体管的开关动作

晶体管有三个工作区域。为了了解操作效率，需要考虑实际损耗。因此，让我们尝试了解晶体管作为开关的效率如何。

在截止（OFF）状态期间

基极电流I_B = 0

集电极电流I_C = 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非常小，并且V_CC也较低，因此损耗将非常低。因此，晶体管在OFF状态下可以作为高效的开关工作。

在饱和（ON）状态期间

如前所述，

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

输出电压为V_knee。

功率损耗 = 输出电压×输出电流

$$= \:V_{knee} \times I_{c(sat)}$$

由于V_knee的值很小，因此损耗很低。因此，晶体管在ON状态下可以作为高效的开关工作。

在放大区

晶体管位于ON和OFF状态之间。晶体管作为线性放大器工作，其中输入电流的微小变化会导致输出电流发生较大变化（ΔI_C）。

开关时间

开关晶体管的输入为脉冲，输出为具有少量变化的脉冲。关于开关输出脉冲的定时，有一些术语您应该了解。让我们来了解一下。

设输入脉冲持续时间 = T

当施加输入脉冲时，由于寄生电容，集电极电流需要一些时间才能达到稳态值。下图说明了这一概念。

从上图可以看出，

• 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。

• 导通时间 (T_ON) - 时间延迟 (t_d) 和上升时间 (t_r) 的总和称为导通时间。

  T_ON = t_d + t_r

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

• 下降时间 (t_f) - 集电极电流从其最大值的90%下降到其初始值的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) 的总和定义为关断时间。

  T_OFF = 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

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

晶体管基本上在其线性区域充当放大器。如果晶体管放大器的输出级与前一个放大器级连接，则这种连接被称为耦合。如果使用电阻耦合两个这样的放大器电路的级，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，多谐振荡器是一个两级电阻耦合放大器，其一个放大器的输出到另一个放大器的输入存在正反馈。

两个晶体管连接在反馈回路中，因此一个晶体管控制另一个晶体管的状态。因此，整个电路的ON和OFF状态，以及晶体管被驱动到饱和或截止的时间段，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。在第一级，晶体管Q₁导通，而晶体管Q₂截止。在第二级，晶体管Q₁截止，而晶体管Q₂导通。这两种状态在某些时间段内互换，具体取决于电路条件。

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

无稳态多谐振荡器是一种电路，它自动切换两种状态，无需任何外部脉冲即可运行。由于它产生连续的方波输出，因此称为自由运行多谐振荡器。直流电源是常见需求。

这些状态的时间段取决于所用组件的时间常数。由于多谐振荡器不断切换，因此这些状态被称为准稳态或半稳态。因此，无稳态多谐振荡器具有两个准稳态。

单稳态多谐振荡器

单稳态多谐振荡器具有一个稳定状态和一个准稳态。它有一个触发输入到一个晶体管。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才能改变其状态。

由于此多谐振荡器为每个触发脉冲产生一个输出，因此称为单次触发多谐振荡器。此多谐振荡器不能在准稳态下停留较长时间，而是在稳定状态下停留，直到接收到触发脉冲。

双稳态多谐振荡器

双稳态多谐振荡器的两个状态都是稳定的。它需要两个触发脉冲来改变状态。在给出触发输入之前，此多谐振荡器无法改变其状态。它也称为翻转触发多谐振荡器。

由于触发脉冲设置或复位输出，并且存储某些数据（即高或低），直到它被干扰，因此此多谐振荡器可以称为翻转触发器。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://tutorialspoint.com/digital_circuits/index.htm

为了更清楚地了解上述讨论，让我们看一下下图。

所有这三种多谐振荡器将在后面的章节中详细讨论。

脉冲电路 - 无稳态多谐振荡器

无稳态多谐振荡器没有稳定状态。一旦多谐振荡器导通，它就会在由R_C时间常数确定的某个时间段后自行改变其状态。直流电源或V_cc提供给电路以供其工作。

无稳态多谐振荡器的构造

两个名为Q₁和Q₂的晶体管相互连接在反馈回路中。晶体管Q₁的集电极通过电容器C₁连接到晶体管Q₂的基极，反之亦然。两个晶体管的发射极都连接到地。集电极负载电阻R₁和R₄以及偏置电阻R₂和R₃的值相等。电容器C₁和C₂的值相等。

下图显示了无稳态多谐振荡器的电路图。

无稳态多谐振荡器的运行

当施加V_cc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，

$$I_c = \beta I_B$$

由于没有两个晶体管的特性完全相同，因此两个晶体管中的一个，例如Q₁，其集电极电流增加，因此导通。Q₁的集电极通过C₁施加到Q₂的基极。这种连接使Q₁集电极上增加的负电压施加到Q₂的基极，并且其集电极电流减小。这种连续的动作使Q₂的集电极电流进一步减小。当此电流施加到Q₁的基极时，使其更加负，并且随着累积作用，Q₁进入饱和状态，而Q₂截止。因此，Q₁的输出电压将为V_{CE (sat)}，而Q₂将等于V_CC。

电容C₁通过R₁充电，当C₁两端的电压达到0.7V时，足以使晶体管Q₂饱和。由于此电压施加到Q₂的基极，它进入饱和状态，降低其集电极电流。点B处的电压下降通过C₂施加到晶体管Q₁的基极，使Q₁反向偏置。一系列这些动作使晶体管Q₁截止，晶体管Q₂饱和。现在点A具有电位V_CC。电容C₂通过R₂充电。当此电容C₂两端的电压达到0.7V时，使晶体管Q₁饱和导通。

因此，输出电压和输出波形是由晶体管Q₁和Q₂交替切换形成的。这些导通/截止状态的时间周期取决于所用偏置电阻和电容的值，即取决于所用R_C的值。由于两个晶体管交替工作，因此输出为方波，峰值幅度为V_CC。

波形

Q₁和Q₂集电极处的输出波形如下所示。

振荡频率

晶体管Q₁的导通时间或晶体管Q₂的截止时间由下式给出

t₁ = 0.69R₁C₁

类似地，晶体管Q₁的截止时间或晶体管Q₂的导通时间由下式给出

t₂ = 0.69R₂C₂

因此，方波的总周期为

t = t₁ + t₂ = 0.69(R₁C₁ + R₂C₂)

由于R₁ = R₂ = R且C₁ = C₂ = C，因此方波的频率将为

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

优点

使用无稳态多谐振荡器的优点如下：

• 不需要外部触发。
• 电路设计简单
• 价格低廉
• 可以连续工作

缺点

使用无稳态多谐振荡器的缺点如下：

• 电路内部能量吸收更多。
• 输出信号能量低。
• 无法实现小于或等于50%的占空比。

应用

无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

顾名思义，单稳态多谐振荡器只有一个**稳定状态**。当一个晶体管导通时，另一个晶体管保持截止状态。稳定状态是指晶体管保持不变的状态，除非受到一些外部触发脉冲的干扰。由于单稳态的工作原理相同，因此它还有另一个名称，称为**单次触发多谐振荡器**。

单稳态多谐振荡器的结构

两个晶体管Q₁和Q₂相互连接形成反馈。晶体管Q₁的集电极通过电容C₁连接到晶体管Q₂的基极。基极Q₁通过电阻R₂和电容C连接到Q₂的集电极。另一个直流电源电压-V_BB通过电阻R₃施加到晶体管Q₁的基极。触发脉冲通过电容C₂施加到Q₁的基极以改变其状态。R_L1和R_L2是Q₁和Q₂的负载电阻。

当其中一个晶体管进入稳定状态时，会施加一个外部触发脉冲来改变其状态。改变状态后，晶体管在该准稳态或亚稳态状态下保持特定时间段，该时间段由RC时间常数的值决定，并返回到先前的稳定状态。

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，当电路接通时，晶体管Q₁将处于截止状态，而Q₂将处于导通状态。这是稳定状态。由于Q₁截止，集电极电压将在点A处为V_CC，因此C₁充电。施加到晶体管Q₁基极的正触发脉冲使晶体管导通。这降低了集电极电压，从而使晶体管Q₂截止。此时，电容C₁开始放电。由于来自晶体管Q₂集电极的正电压施加到晶体管Q₁，因此它保持导通状态。这是准稳态或亚稳态。

晶体管Q₂保持截止状态，直到电容C₁完全放电。此后，晶体管Q₂通过电容放电施加的电压导通。这使晶体管Q₁导通，这是先前的稳定状态。

输出波形

Q₁和Q₂集电极处的输出波形以及施加到Q₁基极的触发输入如下图所示。

此输出脉冲的宽度取决于RC时间常数。因此，它取决于R₁C₁的值。脉冲持续时间由下式给出

$$T = 0.69R_1 C_1$$

给定的触发输入将持续时间非常短，仅用于启动动作。这触发电路将其状态从稳定状态更改为准稳态或亚稳态或半稳态，电路在其中保持很短的持续时间。对于一个触发脉冲，将有一个输出脉冲。

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
• 价格低廉

缺点

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

应用

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

双稳态多谐振荡器具有**两个稳定状态**。电路停留在两个稳定状态中的任何一个。它会继续保持该状态，除非给出外部触发脉冲。此多谐振荡器也称为**触发器**。此电路简称为**二进制**。

双稳态多谐振荡器有几种类型。如下面的图所示。

双稳态多谐振荡器的结构

两个相同的晶体管Q₁和Q₂以及负载电阻R_L1和R_L2相互连接形成反馈。基极电阻R₃和R₄连接到一个公共电源-V_BB。反馈电阻R₁和R₂由电容C₁和C₂分流，称为**换向电容**。晶体管Q₁通过电容C₃在其基极处接收触发输入，晶体管Q₂通过电容C₄在其基极处接收触发输入。

电容C₁和C₂也称为**加速电容**，因为它们缩短了**转换时间**，这意味着从一个晶体管到另一个晶体管的传导转移所需的时间。

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

当电路接通时，由于某些电路不平衡（如无稳态），其中一个晶体管，例如Q₁导通，而晶体管Q₂截止。这是双稳态多谐振荡器的稳定状态。

通过在晶体管Q₁的基极处施加负触发或在晶体管Q₂的基极处施加正触发脉冲，此稳定状态不会改变。因此，让我们通过考虑晶体管Q₁基极处的负脉冲来理解这一点。结果，集电极电压升高，这使晶体管Q₂正向偏置。Q₂的集电极电流施加到Q₁的基极，反向偏置Q₁，并且这种累积作用使晶体管Q₁截止，晶体管Q₂导通。这是多谐振荡器的另一种稳定状态。

现在，如果要再次更改此稳定状态，则应在晶体管Q₂处施加负触发脉冲或在晶体管Q₁处施加正触发脉冲。

输出波形

Q₁和Q₂集电极处的输出波形以及施加到Q_W和Q₂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：

• 存储先前的输出，除非受到干扰。
• 电路设计简单

缺点

双稳态多谐振荡器的缺点如下：

• 需要两种类型的触发脉冲。
• 比其他多谐振荡器稍微贵一些。

应用

双稳态多谐振荡器用于脉冲生成和数字运算（如计数和存储二进制信息）等应用。

固定偏置二进制

固定偏置二进制电路类似于无稳态多谐振荡器，但带有一个简单的单刀双掷开关。两个晶体管连接形成反馈，并有两个电阻，一个集电极连接到另一个晶体管的基极。下图显示了固定偏置二进制的电路图。

为了理解操作，让我们考虑开关位于位置1。现在晶体管Q₁将截止，因为基极接地。输出端V_O1处的集电极电压将等于V_CC，这使得晶体管Q₂导通。端子V_O2处的输出变低。这是一个稳定状态，只有通过外部触发才能改变。开关更改为位置2作为触发。

当开关改变时，晶体管Q₂的基极接地，使其截止。V_O2处的集电极电压将等于V_CC，施加到晶体管Q₁使其导通。这是另一种稳定状态。在此电路中，触发是借助单刀双掷开关实现的。

给二进制电路提供的两种主要类型的触发是

• 对称触发
• 非对称触发

施密特触发器

另一种需要讨论的二进制电路是**发射极耦合二进制**电路。此电路也称为**施密特触发器**电路。由于其应用，此电路被认为是其种类中的一种特殊类型。

此电路结构的主要区别在于，从第二个晶体管的输出C₂到第一个晶体管的基极B1的耦合消失了，并且现在通过电阻R_e获得反馈。由于此电路具有**正反馈**和**无相位反转**，因此称为**再生电路**。使用BJT的施密特触发器电路如下所示。

最初，我们有Q₁截止和Q₂导通。施加到Q₂基极的电压通过R_C1和R₁为V_CC。因此，输出电压将为

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

由于Q₂导通，R_E上将存在电压降，这将是(I_C2 + I_B2) R_E。现在此电压施加到Q₁的发射极。输入电压增加，并且直到Q₁达到导通的压降电压，输出保持低电平。当Q₁导通时，输出将增加，因为Q₂也导通。随着输入电压继续上升，点C₁和B₂处的电压继续下降，E₂继续上升。在输入电压的某个值下，Q₂截止。此时输出电压将为V_CC，并且即使输入电压进一步增加，也保持恒定。

随着输入电压上升，输出保持低电平，直到输入电压达到V₁，其中

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

当输入电压等于V₁时，使晶体管Q₁进入饱和状态的值称为UTP（上触发点）。如果电压已经大于V₁，则它将保持在那里，直到输入电压达到V₂，这是一个低电平转换。因此，输入电压为V₂时，Q₂导通的值称为LTP（下触发点）。

输出波形

输出波形如下所示。

施密特触发电路作为一个比较器，因此将输入电压与两个不同的电压电平进行比较，这两个电压电平称为UTP（上触发点）和LTP（下触发点）。如果输入超过此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，表示高电平为1，低电平为0。因此，模拟信号被转换为数字信号。如果输入处于中间值（高电平和低电平之间），则前一个值为输出。

这个概念依赖于称为磁滞现象的现象。电子电路的传输特性表现出一个称为回滞的环路。它说明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出现不需要的频率切换。

优点

施密特触发电路的优点是

• 保持完美的逻辑电平。
• 有助于避免亚稳态。
• 由于其脉冲整形功能，优于普通比较器。

缺点

施密特触发器的主要缺点是

• 如果输入缓慢，则输出将更慢。
• 如果输入有噪声，则输出将有更多噪声。

施密特触发器的应用

施密特触发电路用作幅度比较器和方波发生器。它们还用于脉冲整形和锐化电路。

这些是使用晶体管的多谐振荡器电路。相同的多谐振荡器也可以使用运算放大器和IC 555定时器电路设计，这些将在后续教程中讨论。

时基发生器概述

在讨论了脉冲电路的基本原理之后，让我们现在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，并突然下降。这也被称为时基信号。实际上，这是时基发生器的理想输出。

什么是时基发生器？

能够产生高频锯齿波的电子发生器可以称为时基发生器。它也可以理解为一个电子电路，该电路产生一个输出电压或电流波形，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，必须将随时间线性变化的电压施加到偏转板。这使得信号能够水平扫描屏幕上的电子束。因此，该电压称为扫描电压。时基发生器被称为扫描电路。

时基信号的特征

为了在示波器或显像管中产生时基波形，偏转电压随时间线性增加。通常，在电子束线性偏转并返回到其起始点的地方使用时基发生器。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。电子束在屏幕上从一侧到另一侧（通常是从左到右）偏转，并返回到同一点。

这种现象称为描迹和回扫。电子束在屏幕上从左到右的偏转称为描迹，而电子束从右到左的返回称为回扫或回扫时间。通常，此回扫不可见。此过程借助锯齿波发生器完成，该发生器使用RC组件设置偏转的周期。

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），信号返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_r）。这两个时间段一起构成时基信号一个周期的周期。

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

时基发生器的类型

时基发生器有两种类型。它们是：

• 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

时基发生器用于示波器、电视机、雷达显示器、精确时间测量系统和时间调制。

扫描信号的误差

生成扫描信号后，就该传输它们了。传输的信号可能会受到线性偏差的影响。为了理解和纠正发生的错误，我们必须了解常见的错误。

线性偏差以三种不同的方式表示。它们是：

• 斜率或扫描速度误差
• 位移误差
• 传输误差

让我们详细讨论一下。

斜率或扫描速度误差 (e_s)

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 = $\frac{扫描开始和结束时斜率的差异}{斜率的初始值}$

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

位移误差 (e_d)

线性度的重要标准是实际扫描电压与通过实际扫描的起始点和终点的线性扫描之间的最大差异。

从下图可以理解这一点。

位移误差e_d定义为

e_d = $\frac{(实际速度)\thicksim (通过实际扫描的开始和结束点的线性扫描)}{扫描结束时的扫描幅度}$

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

其中V_s是实际扫描，V’_s是线性扫描。

传输误差 (e_t)

当扫描信号通过高通电路时，输出会偏离输入，如下所示。

此偏差表示为传输误差。

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

$$e_t = \frac{V′_s − V}{V′_s}$$

其中V’_s是输入，V_s是扫描结束时（即t = T_s）的输出。

如果线性偏差非常小，并且扫描电压可以用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优势。

时基发生器的类型

由于我们知道有两种类型的时基发生器，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。

一个简单的电压时基发生器

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电容C组成，该电容通过串联连接的电阻R₂经V_CC充电。它包含一个BJT，其基极通过电阻R₁连接。电容通过电阻充电，并通过晶体管放电。

下图显示了一个简单的RC扫描电路。

通过施加一个正向电压脉冲，晶体管Q导通至饱和状态，电容通过Q和R₁快速放电至V_{CE (sat)}。当输入脉冲结束时，Q关闭，电容C开始充电，并继续充电直到下一个输入脉冲。此过程重复，如下面的波形所示。

当晶体管导通时，它为电容提供了一个低阻抗路径以快速放电。当晶体管处于截止状态时，电容将根据以下公式呈指数上升至电源电压V_CC

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

其中

• V_O = 时间t时电容上的瞬时电压
• V_CC = 供电电压
• t = 消耗时间
• R = 串联电阻的值
• C = 电容的值

现在让我们尝试了解不同类型的时基发生器。

我们刚刚讨论的电路是一个电压时基发生器电路，因为它以电压的形式提供输出。

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。

让我们尝试了解基本的电流时基发生器。

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配置晶体管和两个电阻组成，一个在发射极，另一个在集电极。V_CC施加到晶体管的集电极。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，除了非常小的集电极基极电压值。

当在晶体管的基极施加输入电压V_i时，它出现在发射极，产生发射极电流i_E，并且随着V_i从零增加到其峰值，该电流线性增加。随着发射极电流的增加，集电极电流也增加，因为i_C几乎等于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，其输出通过反馈馈送到输入。这将增加或减少电路的输入阻抗。此自举过程用于实现恒定充电电流。

自举时基发生器的构造

自举时间基准发生器电路由两个晶体管组成，Q₁充当开关，Q₂充当射极跟随器。晶体管Q₁的基极连接输入电容C_B，并通过电阻R_B连接到V_CC。晶体管Q₁的集电极连接到晶体管Q₂的基极。Q₂的集电极连接到V_CC，而其射极通过电阻R_E接地，输出电压取自该电阻两端。

使用一个二极管D，其阳极连接到V_CC，阴极连接到电容C₂，C₂又连接到输出端。二极管D的阴极还连接到电阻R，电阻R又连接到电容C₁。C₁和R通过Q₂的基极和Q₁的集电极连接。电容C₁两端的电压提供输出电压V_o。

下图说明了自举时间基准发生器的结构。

自举时间基准发生器的工作原理

在t = 0时施加门控波形之前，由于晶体管通过R_B从V_CC获得足够的基极驱动，因此Q₁导通，Q₂截止。电容C₂通过二极管D充电至V_CC。然后，来自单稳态多谐振荡器的门控波形的负触发脉冲施加到Q₁的基极，使Q₁截止。电容C₂现在开始放电，电容C₁通过电阻R充电。由于电容C₂具有较大的电容值，其电压水平（充电和放电）变化较慢。因此，它缓慢放电，并在Q₂输出端产生斜坡波形期间保持几乎恒定的值。

在斜坡时间内，二极管D反向偏置。电容C₂为电容C₁充电提供少量电流I_C1。由于电容值较高，尽管它提供了电流，但对其电荷的影响不大。当Q₁在斜坡时间结束时导通时，C₁快速放电至其初始值。此电压出现在V_O两端。因此，二极管D再次正向偏置，电容C₂获得一脉冲电流以恢复在C₁充电期间损失的小部分电荷。现在，电路已准备好产生另一个斜坡输出。

电容C2有助于为电容C1提供一些反馈电流，充当自举电容，提供恒定电流。

输出波形

获得的输出波形如下面的图所示。

上图显示了输入脉冲和表示电容C₁充电和放电的电压V_C1，该电压贡献了输出。

优点

这种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水平。

脉冲电路 - 米勒扫描发生器

晶体管米勒时间基准发生器电路是一种常用的米勒积分器电路，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间基准发生器电路的结构和工作原理。

米勒扫描发生器的结构

米勒时间基准发生器电路在初始阶段由一个开关和一个定时电路组成，其输入来自施密特触发器电路。放大器部分是接下来的一个部分，它有三个级，第一个是射极跟随器，第二个是放大器，第三个也是射极跟随器。

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较重的负载。高输入阻抗防止电路加载其前面的电路。最后一个射极跟随器部分不会加载前面的放大器部分。因此，放大器的增益将很高。

放置在Q₁的基极和Q₃的射极之间的电容C是定时电容。R和C的值以及V_BB电压水平的变化会改变扫描速度。下图显示了米勒时间基准发生器的电路图。

米勒扫描发生器的工作原理

当施密特触发器输出为负脉冲时，晶体管Q₄导通，射极电流流过R₁。射极处于负电位，并且相同的电位施加到二极管D的阴极，使其正向偏置。由于电容C在此处被旁路，因此它没有充电。

施加触发脉冲会使施密特触发器输出变高，这反过来又使晶体管Q₄截止。现在，在Q₄的射极上施加10v的电压，使电流流过R₁，这也使二极管D反向偏置。由于晶体管Q₄处于截止状态，电容C从V_BB通过R充电，并在Q₃的射极处提供一个下降扫描输出。在扫描结束时，电容C通过D和晶体管Q₄放电。

考虑到电容C₁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

米勒扫描电路是在许多设备中使用最广泛的积分器电路。它是一种广泛使用的锯齿波发生器。

脉冲电路 - 单结晶体管

单结晶体管是一种只有一个PN结的晶体管，但它不是二极管。单结晶体管，或简称UJT，与普通晶体管不同，它有一个发射极和两个基极。该元件因其负阻特性以及用作弛豫振荡器的应用而闻名。

UJT的结构

一块高阻抗的n型硅被认为形成了基极结构。在两端各引出两个欧姆接触，这两端都是基极。一个类似铝棒的结构连接到它上面，成为发射极。该发射极靠近基极2，远离基极1。这两个连接形成一个PN结。由于只有一个PN结，因此该元件被称为单结晶体管。

棒内部存在一个称为内阻的电阻，其阻值取决于棒的掺杂浓度。UJT的结构和符号如下所示。

在符号中，发射极由一个倾斜的箭头表示，其余两个端点表示基极。由于UJT被理解为二极管和一些电阻的组合，因此可以使用等效电路图来表示UJT的内部结构，以解释UJT的工作原理。

UJT的工作原理

可以通过UJT的等效电路来理解其工作原理。施加在发射极上的电压表示为V_E，基极1和基极2的内阻分别表示为R_B1和R_B2。内部存在的这两个电阻一起称为内阻，表示为R_BB。RB1两端的电压可以表示为V₁。为电路工作而施加的直流电压为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将反向偏置。二极管两端的电压将为VB，即发射极二极管的势垒电压。由于施加了V_BB，点A处出现一些电压。因此，总电压将为V_A + V_B。

现在，如果发射极电压V_E增加，电流I_E将流过二极管D。此电流使二极管正向偏置。载流子被感应，电阻R_B1开始减小。因此，R_B1两端的电位，即V_B1也减小。

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

由于V_BB是恒定的，并且由于通道的掺杂浓度，R_B1减小到其最小值，因此V_B1也减小。

实际上，内部存在的电阻一起称为内阻，表示为R_BB。上面提到的电阻可以表示为

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

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

符号η用于表示施加的总电阻。

因此，V_B1两端的电压表示为

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

发射极电压表示为

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

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

其中V_D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，而V_B1不断减小。因此，V_E不断减小。它减小到一个最小值，可以表示为V_V，称为谷电压。UJT导通时的电压称为峰值电压，表示为V_P。

UJT的伏安特性

到目前为止讨论的概念可以通过以下所示的图形清楚地理解。

最初，当V_E为零时，一些反向电流IE会流过，直到VE的值达到

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

这一点是曲线与Y轴相交的点。

当V_E达到

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

此时，二极管正向偏置。

此点的电压称为V_P（峰值电压），此点的电流称为I_P（峰值电流）。到目前为止图形中的部分称为截止区，因为UJT处于截止状态。

现在，当V_E进一步增加时，电阻R_B1以及电压V₁也减小，但流过它的电流增加。这是负阻特性，因此该区域称为负阻区。

现在，电压V_E达到某个点，在此之后进一步增加会导致R_B1两端的电压增加。此点的电压称为V_V（谷电压），此点的电流称为I_V（谷电流）。此区域之后称为饱和区。

UJT的应用

UJT最常被用作弛豫振荡器。它们还用于相位控制电路。此外，UJT被广泛用于为数字电路提供时钟、为各种设备提供定时控制、控制晶闸管的触发以及在示波器中为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就能自行产生波形的设备。虽然施加了一些直流电压以使设备工作，但它不会产生任何输入波形。弛豫振荡器是一种能够自行产生非正弦波形的设备。该波形通常取决于电路中电容的充放电时间常数。

结构和工作原理

UJT的发射极与一个电阻和一个电容连接，如图所示。RC时间常数决定了弛豫振荡器输出波形的定时。两个基极分别与一个电阻连接。给出直流电源电压V_BB。

下图显示了如何使用UJT作为弛豫振荡器。

最初，电容两端的电压为零。

$$V_c = 0$$

UJT处于截止状态。电阻R为电容C提供了一条路径，使其通过施加的电压充电。

电容根据以下电压充电

$$V = V_0(1 - e^{-t/RC})$$

电容器通常开始充电并持续充电，直到达到最大电压V_BB。但在这个电路中，当电容器两端的电压达到使UJT导通的值（峰值电压）时，电容器停止充电并开始通过UJT放电。现在，这种放电持续到使UJT截止的最小电压（谷值电压）。这个过程持续进行，当电容器两端的电压在图上显示时，会观察到以下波形。

因此，电容器的充放电产生如上所示的扫描波形。充电时间产生上升扫描，放电时间产生下降扫描。这个循环的重复形成了一个连续的扫描输出波形。

由于输出是非正弦波形，因此该电路被称为弛豫振荡器。

弛豫振荡器的应用

弛豫振荡器广泛应用于函数发生器、电子蜂鸣器、开关电源、逆变器、闪光器和压控振荡器。

脉冲电路 - 同步

在任何具有不同波形发生器的系统中，都需要使所有发生器同步工作。同步是指使两个或多个波形发生器在周期中的某个参考点精确地同时到达的过程。

同步的类型

同步可以分为以下两种类型：

一对一

• 所有发生器以相同的频率工作。

• 它们都精确地在周期中的某个参考点同时到达。

带分频的同步

• 发生器以不同的频率工作，这些频率彼此之间是整数倍的关系。

• 它们都精确地在周期中的某个参考点同时到达。

弛豫器件

弛豫电路是指通过电容器的逐渐充电来建立定时间隔的电路，定时间隔通过电容器的突然放电（弛豫）来终止。

示例 - 多谐振荡器、扫描电路、阻断振荡器等。

我们在UJT弛豫振荡器电路中观察到，当负阻器件（如UJT）导通时，电容器停止充电。然后电容器通过它放电，直到达到其最小值。这两个点分别表示扫描波形的最大和最小电压点。

弛豫器件中的同步

如果需要将扫描波形的高电压或峰值电压或击穿电压降低到较低水平，则可以施加外部信号。要施加的此信号是同步信号，其作用在脉冲持续时间内降低峰值或击穿电压。同步脉冲通常施加在负阻器件的发射极或基极上。为了实现同步，施加具有规则间隔脉冲的脉冲序列。

尽管首先施加了同步信号，但前几个脉冲对扫描发生器没有影响，因为在脉冲出现时扫描信号的幅度加上脉冲的幅度小于V_P。因此，扫描发生器非同步运行。UJT导通的确切时刻由脉冲出现的瞬间决定。这是同步信号与扫描信号实现同步的点。这可以从下图中观察到。

其中，

• T_P是脉冲信号的周期
• T_O是扫描信号的周期
• V_P是峰值或击穿电压
• V_V是谷值或维持电压

为了实现同步，脉冲定时间隔T_P应小于扫描发生器的周期T_O，以便提前终止扫描周期。如果脉冲定时间隔T_P大于扫描发生器的周期T_O，并且如果脉冲的幅度不足以弥合静态击穿和扫描电压之间的差距，即使T_P小于T_O，也无法实现同步。

扫描电路中的分频

在前面的主题中，我们观察到当满足以下条件时，可以实现同步。它们是

• 当T_P < T_O时

• 当脉冲的幅度足以提前终止每个周期时。

满足这两个条件，虽然实现了同步，但我们经常会在扫描中遇到关于同步定时的一些有趣的模式。下图说明了这一点。

我们可以观察到，同步后的扫描幅度V’_S小于非同步幅度V_S。此外，扫描的周期T_O根据脉冲的周期进行调整，但在两者之间留出一个周期。这意味着，一个扫描周期等于两个脉冲周期。每隔一个周期实现同步，这表明

$$T_o > 2T_P$$

扫描定时T_O被限制为T_S，其幅度减小到V’_S。

由于每隔一个脉冲与扫描周期同步，因此该信号可以理解为一个以2为因数进行分频的电路。因此，分频电路是通过同步获得的。

脉冲电路 - 阻断振荡器

振荡器是一个电路，它自身提供交流电压或电流，而无需施加任何输入。振荡器需要一个放大器，还需要来自输出的反馈。提供的反馈应该是再生反馈，它与输出信号的一部分一起，在输出信号中包含一个与输入信号同相的分量。使用再生反馈产生非正弦输出的振荡器称为弛豫振荡器。

我们已经看到了UJT弛豫振荡器。另一种弛豫振荡器是阻断振荡器。

阻断振荡器

阻断振荡器是一种波形发生器，用于产生窄脉冲或触发脉冲。在接收来自输出信号的反馈的同时，它会在一个周期之后，在某个预定的时间内阻断反馈。这种阻断输出同时又是振荡器的特点，使其获得了阻断振荡器的名称。

在阻断振荡器的构造中，晶体管用作放大器，变压器用作反馈。这里使用的变压器是脉冲变压器。脉冲变压器的符号如下所示。

脉冲变压器

脉冲变压器是一种将矩形脉冲电能源耦合到负载的变压器。保持脉冲的形状和其他特性不变。它们是宽带变压器，具有最小衰减和零或最小相移。

变压器的输出取决于连接的电容器的充放电。

通过使用脉冲变压器可以轻松实现再生反馈。通过正确选择脉冲变压器的绕组极性，可以将输出以相同相位反馈到输入。阻断振荡器就是这样一种使用电容器和脉冲变压器以及单个晶体管制成的自由运行振荡器，在大部分占空比下晶体管都处于截止状态，从而产生周期性脉冲。

使用阻断振荡器，可以实现不稳定和单稳态操作。但是，双稳态操作是不可能的。让我们一起了解它们。

单稳态阻断振荡器

如果阻断振荡器需要单个脉冲来改变其状态，则称为单稳态阻断振荡器电路。这些单稳态阻断振荡器可以分为两种类型。它们是

• 基极定时单稳态阻断振荡器
• 发射极定时单稳态阻断振荡器

在这两种情况下，定时电阻R控制门宽，当它放置在晶体管的基极时成为基极定时电路，当它放置在晶体管的发射极时成为发射极定时电路。

为了更好地理解，让我们讨论基极定时单稳态多谐振荡器的工作原理。

晶体管触发基极定时单稳态阻断振荡器

一个晶体管、一个用于反馈的脉冲变压器和一个连接在晶体管基极上的电阻构成了晶体管触发基极定时单稳态阻断振荡器的电路。这里使用的脉冲变压器具有n:1的匝数比，其中基极电路每匝对应集电极电路1匝。一个电阻R串联连接到晶体管的基极，用于控制脉冲持续时间。

最初，晶体管处于截止状态。如以下图所示，VBB被认为是零或太低，可以忽略不计。

由于器件处于截止状态，因此集电极电压为V_CC。但是，当在集电极施加负触发时，电压会降低。由于变压器的绕组极性，集电极电压下降，而基极电压上升。

当基极到发射极电压大于压降电压时，即

$$V_{BE} > V_\gamma$$

然后，观察到一个小基极电流。这会增加集电极电流，从而降低集电极电压。此动作进一步累积，这会进一步增加集电极电流并降低集电极电压。通过再生反馈作用，如果环路增益增加，则晶体管会很快进入饱和状态。但这并不是一个稳定状态。

然后，观察到一个小基极电流。这会增加集电极电流，从而降低集电极电压。此动作进一步累积，这会进一步增加集电极电流并降低集电极电压。通过再生反馈作用，如果环路增益增加，则晶体管会很快进入饱和状态。但这并不是一个稳定状态。

当晶体管进入饱和状态时，集电极电流增加，而基极电流保持恒定。现在，集电极电流缓慢开始为电容器充电，并且变压器上的电压降低。由于变压器绕组极性，基极电压升高。这反过来又降低了基极电流。这种累积作用使晶体管进入截止状态，这是电路的稳定状态。

输出波形如下：

该电路的主要缺点是输出脉冲宽度无法保持稳定。我们知道集电极电流为

$$i_c = h_{FE}i_B$$

由于h_FE与温度相关，并且脉冲宽度随其线性变化，因此输出脉冲宽度无法稳定。此外，h_FE随所用晶体管而变化。

无论如何，如果将电阻放置在发射极，则可以消除此缺点，这意味着解决方案是发射极定时电路。当上述条件发生时，晶体管在发射极定时电路中关闭，因此获得稳定的输出。

不稳定阻断振荡器

如果阻断振荡器可以自动改变其状态，则称为不稳定阻断振荡器电路。这些不稳定阻断振荡器可以分为两种类型。它们是

• 二极管控制不稳定阻断振荡器
• RC控制不稳定阻断振荡器

在二极管控制不稳定阻断振荡器中，放置在集电极上的二极管改变了阻断振荡器的状态。而在RC控制不稳定阻断振荡器中，定时电阻R和电容C在发射极部分形成一个网络，以控制脉冲定时。

为了更好地理解，让我们讨论二极管控制不稳定阻断振荡器的工作原理。

二极管控制不稳定阻断振荡器

二极管控制不稳定阻断振荡器在集电极电路中包含一个脉冲变压器。一个电容器连接在变压器副绕组和晶体管的基极之间。变压器初级绕组和二极管连接在集电极上。

在晶体管的集电极施加一个初始脉冲以启动该过程，从那时起不需要任何脉冲，电路表现为不稳定多谐振荡器。下图显示了二极管控制不稳定阻断振荡器的电路。

最初，晶体管处于截止状态。为了启动电路，在集电极施加负触发脉冲。阳极连接到集电极的二极管将处于反向偏置状态，并且通过施加此负触发脉冲而关闭。

此脉冲施加到脉冲变压器上，由于绕组极性（如图所示），相同量的电压被感应而没有相位反转。此电压通过电容器流向基极，贡献一些基极电流。此基极电流产生一些基极到发射极的电压，当其超过导通电压时，将晶体管Q₁推至导通状态。现在，晶体管Q₁的集电极电流上升，并施加到二极管和变压器上。最初处于截止状态的二极管现在导通。感应到变压器初级绕组中的电压会感应到变压器次级绕组中的一些电压，利用该电压，电容器开始充电。

由于电容器在充电时不会提供任何电流，因此基极电流i_B停止流动。这使得晶体管Q₁截止。因此状态发生了改变。

现在，导通的二极管在其两端有一些电压，该电压施加到变压器初级，并感应到次级。现在，电流流过电容器，使电容器放电。因此基极电流i_B流动，再次使晶体管导通。输出波形如下所示。

由于二极管帮助晶体管改变其状态，因此该电路是二极管控制的。此外，触发脉冲仅在启动时施加，而电路本身不断改变其状态，因此该电路是不稳定振荡器。因此，被称为二极管控制的不稳定阻断振荡器。

另一种类型的电路在晶体管的发射极部分使用R和C组合，被称为RC控制的不稳定阻断振荡器电路。

脉冲电路 - 采样门

到目前为止，我们已经遇到了不同的脉冲电路。有时，我们需要将此类脉冲输入的应用限制在某些时间段内。帮助我们实现这一目标的电路是**取样门电路**。这些也称为**线性门**或**传输门**或**选择电路**。

这些取样门有助于在某个时间间隔内选择传输信号，在此时间间隔内，输出信号与输入信号相同，否则为零。该时间段是使用**控制信号**或**选择信号**选择的。

取样门

对于取样门，输出信号必须与输入信号相同或与输入信号成比例，且仅在选定的时间间隔内，否则应为零。该选定的时间段称为**传输周期**，其他时间段称为**非传输周期**。这是使用由V_C指示的**控制信号**选择的。下图说明了这一点。

当控制信号V_C处于V₁时，取样门关闭，当V_C处于V₂时，它打开。脉冲宽度T_g指示施加门脉冲的时间段。

取样门的类型

取样门的类型包括 -

• **单向取样门** - 这种类型的取样门可以将其中的正脉冲或负脉冲通过。它们使用二极管构建。

• **双向取样门** - 这种类型的取样门可以将其中的正脉冲和负脉冲通过。它们使用二极管或BJT构建。

使用的开关类型

取样门可以使用串联或并联开关构建。开关需要打开或关闭的时间段由门控脉冲信号确定。这些开关由有源元件（如二极管和晶体管）替换。

下图显示了使用串联和并联开关的取样门的框图。

使用串联开关的取样门

在这种类型的开关中，如果开关S闭合，则输出将完全等于或与输入成比例。该时间段将是**传输周期**。

如果开关S打开，则输出将为零或接地信号。该时间段将是**非传输周期**。

使用并联开关的取样门

在这种类型的开关中，如果开关S闭合，则输出将为零或接地信号。该时间段将是**非传输周期**。

如果开关S打开，则输出将完全等于或与输入成比例。该时间段将是**传输周期**。

取样门与数字电路的逻辑门完全不同。它们也由脉冲或电压电平表示。但它们是数字门，其输出不是输入的精确副本。而取样门电路是模拟门，其输出是输入的精确副本。

在接下来的章节中，我们将讨论取样门的类型。

单向采样门

在了解了取样门的概念之后，现在让我们尝试了解取样门的类型。单向取样门可以将其中的正脉冲或负脉冲通过。它们使用二极管构建。

单向取样门电路由电容器C、二极管D和两个电阻R₁和R_L组成。信号输入提供给电容器，控制输入提供给电阻R₁。输出取自负载电阻R_L两端。电路如下所示。

根据二极管的功能，它仅在二极管的阳极比二极管的阴极更正时才导通。如果二极管在其输入端有正信号，则它导通。门信号导通的时间段是传输周期。因此，在该周期内传输输入信号。否则无法传输。

下图显示了输入信号和门信号的时间段。

输入信号仅在门导通的时间段内传输，如图所示。

从电路中我们有，

二极管的阳极施加了两个信号（V_S和V_C）。如果阳极的电压表示为V_P，阴极的电压表示为V_N，则输出电压获得为

$$V_o = V_P = (V_S + V_C) > V_N$$

所以二极管处于正向偏置状态。

$$V_O = V_S + V_1 > V_N$$

然后

$$V_O = V_S$$

当V₁ = 0时，

然后

$$V_O = V_S + V_1 \: 意味着 \: V_O = V_S$$

V₁的理想值为0。

因此，如果V₁ = 0，则整个输入信号出现在输出端。如果V₁的值为负，则会丢失一些输入，如果V₁为正，则输入信号会与输出端一起出现额外的信号。

所有这些都在传输周期内发生。

在非传输周期内，

$$V_O = 0$$

因为二极管处于反向偏置状态

当阳极上的电压小于阴极上的电压时，

$$V_S + V_C < 0 \: 伏特$$

在非传输周期内，

$$V_C = V_2$$

$$V_S + V_2 < 0$$

V₂的大小应远大于V_s。

$$|V_2| ≫ V_S$$

因为要使二极管处于反向偏置状态，电压V_S和V_C的总和必须为负。V_C（现在是V₂）应尽可能负，以便即使V_S为正，这两个电压的总和也应产生负结果。

特殊情况

现在，让我们看看输入电压的不同值的几种情况，其中控制电压为某个负值。

情况1

让我们举一个V_S = 10V且V_C = -10v（V₁）至-20v（V₂）的例子

现在，当这两个信号（V_S和V_C）施加时，阳极上的电压将为

$$V_P = V_S + V_C$$

由于这是关于传输周期，因此仅将V₁视为V_C。

$$V_O = (10V) + (-10V) = 0V$$

因此，输出将为零，尽管施加了一些输入电压。下图说明了这一点。

情况2

让我们举一个V_S = 10V且V_C = -5v（V₁）至-20v（V₂）的例子

现在，当这两个信号（V_S和V_C）施加时，阳极上的电压将为

$$V_P = V_S + V_C$$

由于这是关于传输周期，因此仅将V₁视为V_C。

$$V_O = (10V) + (-5V) = 5V$$

因此，输出将为5 V。下图说明了这一点。

情况3

让我们举一个V_S = 10V且V_C = 0v（V₁）至-20v（V₂）的例子

现在，当这两个信号（V_S和V_C）施加时，阳极上的电压将为

$$V_P = V_S + V_C$$

由于这是关于传输周期，因此仅将V₁视为V_C。

$$V_O = (10V) + (0V) = 10V$$

因此，输出将为10 V。下图说明了这一点。

情况4

让我们举一个V_S = 10V且V_C = 5v（V₁）至-20v（V₂）的例子

现在，当这两个信号（V_S和V_C）施加时，阳极上的电压将为

$$V_P = V_S + V_C$$

由于这是关于传输周期，因此仅将V₁视为V_C。

$$V_O = (10V) + (5V) = 15V$$

因此，输出将为15 V。

输出电压受施加的控制电压的影响。此电压与输入电压相加以产生输出。因此它会影响输出。

下图显示了这两个信号的叠加。

我们可以观察到，在仅施加门电压期间，输出将为5v。当两个信号都施加时，V_P显示为V_O。在非传输周期内，输出为0v。

如上图所示，尽管（当V_S = 0）未施加输入信号，但在传输周期和非传输周期期间输出信号的差异称为**基座**。此基座可以是正的或负的。在此示例中，我们在输出端获得正基座。

RC对控制电压的影响

如果在控制电压达到稳态之前施加输入信号，则输出会发生一些失真。

只有当控制信号为0v时施加输入信号，我们才能获得正确的输出。此0v是稳定值。如果在此之前施加输入信号，则会发生失真。

A处控制电压的缓慢上升是由于存在的RC电路造成的。RC产生的时间常数会影响此波形的形状。

单向取样门的优缺点

让我们看一下单向取样门的优点和缺点。

优点

• 电路简单。

• 输入和输出之间的时间延迟非常低。

• 它可以扩展到更多数量的输入。

• 在非传输周期内不消耗电流。因此，在静态条件下，不存在功耗。

缺点

• 控制信号和输入信号（V_C和V_S）之间存在相互作用

• 随着输入数量的增加，控制输入上的负载增加。

• 输出对控制输入电压V₁（V_C的上限）敏感

• 在同一时刻只能施加一个输入。

• 由于控制信号的上升时间较慢，如果在达到稳态之前施加输入信号，则输出可能会发生失真。

具有更多输入的单向采样门

我们到目前为止讨论的单向取样门电路只有一个输入。在本节中，让我们讨论一些可以处理多个输入信号的单向取样门电路。

单向采样门电路由相同值的电容和电阻组成。这里考虑了一个有两个输入的双输入单向二极管采样门。在这个电路中，我们有两个相同值的电容和两个电阻。它们分别与两个二极管相连接。

控制信号施加在电阻上。输出从负载电阻上取。下图显示了具有多个输入信号的单向二极管采样门的电路图。

当给出控制输入时，

在 V_C = V₁（即传输期间），两个二极管 D₁ 和 D₂ 均为正向偏置。现在，输出将是所有三个输入的总和。

$$V_O = V_{S1} + V_{S2} + V_C$$

对于 V₁ = 0v（这是理想值），

$$V_O = V_{S1} + V_{S2}$$

这里有一个主要的限制，即在传输期间的任何时刻，只能施加一个输入。这是该电路的一个缺点。

在非传输期间，

$$V_C = V_2$$

两个二极管都将处于反向偏置状态，这意味着开路。

这使得输出

$$V_O = 0V$$

该电路的主要缺点是，随着输入数量的增加，**电路的负载**也会增加。可以通过另一个电路避免此限制，在该电路中，控制输入是在输入信号二极管之后给出的。

基座降低

在浏览不同类型的采样门及其产生的输出时，我们在输出波形中遇到了一种额外的电压电平，称为**基座**。这是不需要的，并且会产生一些噪声。

门电路中基座的降低

虽然没有施加输入信号，但传输期间和非传输期间输出信号的差异称为**基座**。它可以是正基座或负基座。

因此，这是由于门控电压而观察到的输出，尽管输入信号不存在。这是不需要的，必须降低。下面的电路旨在降低门电路中的基座。

当施加控制信号时，在传输期间，即在 V₁ 时，Q₁ 导通，Q₂ 关闭，并且 V_CC 通过 R_C 施加到 Q₁。而在非传输期间，即在 V₂ 时，Q₂ 导通，Q₁ 关闭，并且 V_CC 通过 R_C 施加到 Q₂。基极电压 –V_BB1 和 –V_BB2 以及门信号的幅度进行调整，以使两个晶体管电流相同，从而使静态输出电压电平保持恒定。

如果门脉冲电压比晶体管的 V_BE 大得多，则每个晶体管在不导通时都远低于截止状态。因此，当门电压出现时，Q₂ 将被驱动到截止状态，然后 Q₁ 开始导通，而在门的末端，Q₁ 将被驱动到截止状态，然后 Q₂ 开始导通。

下图以更好的方式解释了这一点。

因此，门信号如上图所示出现。门控信号电压将叠加在这个波形上。如果门波形的上升时间比门持续时间小得多，则这些尖峰的值将可以忽略不计。

该电路有一些**缺点**，例如

• 确定的上升和下降时间会导致尖锐的尖峰

• 通过 RC 的连续电流会散发大量热量

• 两个偏置电压和两个控制信号源（互补）使电路变得复杂。

除了这些缺点外，该电路在降低门电路中的基座方面很有用。

双向采样门

双向门与单向门不同，它可以传输正负极性的信号。这些门可以使用晶体管或二极管构建。在不同的电路类型中，让我们来看一个由晶体管组成的电路和另一个由二极管组成的电路。

使用晶体管的双向采样门

基本的双向采样门由一个晶体管和三个电阻组成。输入信号电压 V_S 和控制输入电压 V_C 通过求和电阻施加到晶体管的基极。下图给出了使用晶体管的双向采样门的电路图。

此处施加的控制输入 V_C 是一个具有两个电平 V₁ 和 V₂ 以及脉冲宽度 t_p 的脉冲波形。此脉冲宽度决定了所需的传输间隔。门控信号允许输入被传输。当门控信号处于其较低电平 V₂ 时，晶体管进入有源区域。因此，只要门控输入保持在其较高电平，出现在晶体管基极的任何极性的信号都将被采样并在输出端放大。

四二极管双向采样门

双向采样门电路也可以使用二极管构建。双二极管双向采样门是该模型中的基本门。但它有一些缺点，例如

• 增益低
• 对控制电压的不平衡敏感
• V_{n (min)} 可能过大
• 存在二极管电容泄漏

开发了四二极管双向采样门，改进了这些特性。通过增加两个二极管和两个平衡电压 +v 或 –v 来改进双向采样门电路，以构建如图所示的四二极管双向采样门电路。

控制电压 V_C 和 –V_C 分别反向偏置二极管 D₃ 和 D₄。电压 +v 和 –v 分别正向偏置二极管 D₁ 和 D₂。信号源通过电阻 R₂ 和导通的二极管 D₁ 和 D₂ 耦合到负载。由于二极管 D₃ 和 D₄ 处于反向偏置状态，因此它们是开路的，并且将控制信号与门断开。因此，控制信号的不平衡不会影响输出。

当施加的控制电压为 V_n 和 –V_n 时，二极管 D₃ 和 D₄ 导通。点 P₂ 和 P₁ 被钳位到这些电压，这使得二极管 D₁ 和 D₂ 反向偏置。现在，输出为零。

在传输期间，二极管 D₃ 和 D₄ 关闭。电路的增益 A 由下式给出

$$A = \frac{R_C}{R_C + R_2} \times \frac{R_L}{R_L + (R_s/2)}$$

因此，控制电压的应用选择可以启用或禁用传输。根据门控输入传输任何极性的信号。

采样门的应用

采样门电路有很多应用。最常见的有：

• 采样示波器
• 多路复用器
• 采样保持电路
• 数模转换器
• 斩波稳定放大器

在采样门电路的应用中，采样示波器电路很普遍。让我们尝试了解一下采样示波器的框图。

采样示波器

在采样示波器中，显示屏由输入波形的样本序列组成。每个样本都按时间依次获取，相对于波形中的某个参考点延迟。这是采样示波器的运行原理，如下面的框图所示。

**斜坡发生器**和**阶梯发生器**根据施加的触发输入生成波形。**比较器**比较这两个信号并生成输出，然后将其作为控制信号提供给采样门电路。

当控制输入为高电平时，**采样门**的输入被传递到输出，而当控制输入为低电平时，输入不被传输。

在获取样本时，它们是在时间间隔内选择的，这些时间间隔按相等的增量依次延迟。样本由一个脉冲组成，其持续时间等于采样门控制的持续时间，其幅度由采样时间的输入信号的大小决定。然后产生的脉冲宽度将很低。

就像在脉冲调制中一样，信号必须进行采样和保持。但由于脉冲宽度很低，因此它由放大器电路放大以进行**拉伸**，然后提供给二极管-电容组合电路以**保持**信号，以填充下一个样本的间隔。该电路的输出提供给采样示波器的**垂直偏转板**，扫描电路的输出提供给采样示波器的**水平偏转板**以显示输出波形。