脈衝電路 - 快速指南

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脈衝電路 - 訊號

一個訊號不僅攜帶資訊，而且還表示電路的狀態。任何電路的功能都可以透過它產生的訊號來研究。因此，我們將從簡要介紹訊號開始本教程。

電子訊號

電子訊號類似於我們遇到的普通訊號，它指示某些東西或告知某些東西。電子訊號的圖形表示提供了有關訊號幅度或相位等引數週期性變化的資訊。它還提供有關電壓、頻率、週期等資訊。

這種表示為所傳達的資訊或接收到的訊號帶來了一些形狀。當根據一定的變化形成這樣的訊號形狀時，可以賦予不同的名稱，例如正弦訊號、三角波訊號、鋸齒波訊號和方波訊號等。

這些訊號主要分為兩種型別，即單向訊號和雙向訊號。

• 單向訊號 - 訊號僅在一個方向（正向或負向）流動時，這樣的訊號稱為單向訊號。

  示例 - 脈衝訊號。

• 雙向訊號 - 訊號在正負方向交替變化，穿過零點時，這樣的訊號稱為雙向訊號。

  示例 - 正弦訊號。

在本章中，我們將討論脈衝訊號及其特徵。

脈衝訊號

脈衝形狀是由基線值快速或突然地瞬態變化到較高或較低的值形成的，並在一段時間後返回到相同的基線值。這樣的訊號可以稱為脈衝訊號。

下圖顯示了一系列脈衝。

脈衝訊號是一種單向非正弦訊號，類似於方波訊號，但不像方波那樣對稱。一系列連續的脈衝訊號簡稱為脈衝序列。一系列脈衝表示從基線電平突然上升到高電平和突然下降到低電平的轉換，分別可以理解為開/關。

因此，脈衝訊號表示訊號的開和關。如果給電開關一個脈衝輸入，它將根據給定的脈衝訊號開啟/關閉。稍後可以討論產生脈衝訊號的這些開關。

與脈衝訊號相關的術語

有一些與脈衝訊號相關的術語應該瞭解。這可以透過下圖來理解。

從上圖中，

• 脈衝寬度 - 脈衝的長度

• 波形的週期 - 從一個週期的任意點到下一個週期的相同點的測量值

• 佔空比 - 脈衝寬度與週期的比率

• 上升時間 - 從其最大幅度的 10% 上升到 90% 所需的時間。

• 下降時間 - 訊號從其最大幅度的 90% 下降到 10% 所需的時間。

• 過沖 - 當波形的上升沿超過其正常最大值時，據說發生了過沖。

• 下衝 - 當波形的下降沿超過其正常最大值時，據說發生了下衝。

• 振鈴 - 過沖和下衝之後都會出現阻尼振盪，稱為振鈴。

阻尼振盪是表示訊號幅度和頻率減小的訊號變化，這些訊號無用且不需要。這些振盪是簡單的干擾，稱為振鈴。

在下一章中，我們將解釋使用 BJT 進行電子開關的概念。我們已經在我們的電子電路教程中討論了使用二極體進行開關。請參考。

脈衝電路 - 開關

開關是一種建立或斷開電路或觸點的裝置。此外，它可以將模擬資料轉換為數字資料。開關高效的主要要求是快速且無火花地切換。基本部件是開關及其相關電路。

有三種型別的開關。他們是 -

• 機械開關
• 機電開關或繼電器
• 電子開關

機械開關

機械開關是我們之前使用的較舊型別的開關。但它們已被機電開關取代，並在一些應用中也被電子開關取代，以克服前者的缺點。

機械開關的缺點如下：

• 它們具有高慣性，限制了操作速度。
• 它們在斷開觸點時會產生火花。
• 開關觸點製成重型以承載更大的電流。

機械開關如下面的圖所示。

這些機械開關已被機電開關或繼電器取代，後者具有良好的操作速度並減少了火花。

繼電器

機電開關也稱為繼電器。這些開關部分是機械的，部分是電子或電氣的。它們比電子開關尺寸更大，比機械開關尺寸更小。

繼電器的構造

繼電器的構造方式是，觸點的閉合為負載供電。在外電路中，我們有負載電源為負載供電，線圈電源控制繼電器的執行。在內部，一個槓桿透過一個硬彈簧連線到鐵軛上以將槓桿向上支撐。一個螺線管透過繞在其周圍的操作線圈連線到軛上。該線圈連線到如上所述的線圈電源。

下圖說明了繼電器的構造和工作原理。

繼電器的工作原理

當開關閉合時，建立一條通電路徑，使螺線管通電。槓桿透過一個重彈簧連線，該彈簧向上拉動槓桿並保持。螺線管通電後，會將槓桿向其拉動，克服彈簧的拉力。當槓桿被拉動時，動觸點與靜觸點接觸以連線電路。因此，電路連線接通或建立，燈亮表示這一點。

當開關斷開時，螺線管不獲得任何電流並斷電。這使槓桿沒有對螺線管的任何吸引力。彈簧向上拉動槓桿，從而斷開觸點。因此，電路連線斷開。

下圖顯示了實際繼電器的外觀。

現在讓我們看看機電開關的優缺點。

優點

• 即使在負載處處理大功率時，繼電器也消耗較少的能量。
• 操作員可以距離更遠，即使處理高電壓也可以。
• 通斷時無火花。

缺點

• 操作速度慢
• 零件容易磨損

繼電器中的鎖存型別

根據繼電器的操作模式，有許多型別的繼電器，例如電磁繼電器、固態繼電器、熱繼電器、混合繼電器、簧片繼電器等。

繼電器藉助鎖存器建立連線，如下圖所示。

繼電器中有四種類型的鎖存連線。他們是 -

• 單刀單擲 (SPST) - 此鎖存器具有一個刀片，並擲到一個擲上以建立連線。

• 單刀雙擲 (SPDT) - 此鎖存器具有一個刀片和兩個擲，以建立連線。它可以選擇與兩個不同的電路連線，為此連線了兩個擲。

• 雙刀單擲 (DPST) - 此鎖存器具有兩個刀片和一個擲，以建立連線。兩個電路中的任何一個都可以選擇與在單擲處提供的電路建立連線。

• 雙刀雙擲 (DPDT) - 此鎖存器具有兩個刀片，並擲到兩個擲上以同時建立兩個連線。

下圖顯示了所有四種類型的鎖存連線的示意圖。

電子開關

接下來要討論的開關型別是電子開關。如前所述，電晶體因其高速執行和無火花而成為最常用的電子開關。

下圖顯示了一個實際的電子電路，該電路構建為使電晶體充當開關。

當電晶體在飽和區工作時，它在開狀態下充當開關。當它在截止區工作時，它在關狀態下充當開關。它線上性區域充當放大器，線性區域位於電晶體和截止之間。要了解這些工作區域，請參閱基礎電子教程中的電晶體章節。

當外部條件非常惡劣且溫度很高時，簡單的普通電晶體將無法滿足要求。對於此類用途，使用了一種名為矽控整流器，簡稱SCR的特殊器件。這將在功率電子教程中詳細討論。

電子開關的優點

電子開關有很多優點，例如

• 尺寸更小
• 重量更輕
• 火花操作
• 沒有活動部件
• 不易磨損
• 無噪音操作
• 操作速度更快
• 比其他開關更便宜
• 維護成本更低
• 由於固態而提供無故障服務

電晶體是一種簡單的電子開關，具有高速執行的特點。它是一種固態器件，所有觸點都很簡單，因此在操作過程中避免了火花。我們將在下一章討論電晶體中開關操作的階段。

脈衝電路 - 電晶體作為開關

透過驅動電晶體處於飽和或截止狀態，將其用作電子開關。這兩個區域之間的區域是線性區域。電晶體在此區域充當線性放大器。飽和和截止狀態是這方面的重要考慮因素。

電晶體的開和關狀態

電晶體的工作中有兩個主要區域，我們可以將其視為開和關狀態。它們是飽和和截止狀態。讓我們看看電晶體在這兩種狀態下的行為。

在截止條件下的操作

下圖顯示了處於截止區域的電晶體。

當電晶體的基極接負時，電晶體進入截止狀態。沒有集電極電流。因此 I_C = 0。

加在集電極上的電壓V_CC，會出現在集電極電阻R_C兩端。因此，

V_CE = V_CC

飽和區的執行

下圖顯示了處於飽和區的電晶體。

當基極電壓為正且電晶體進入飽和狀態時，I_C流過R_C。

然後V_CC降落在R_C兩端。輸出將為零。

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

實際上，這是理想情況。實際上，會有一些漏電流流動。因此，我們可以理解，當透過向基極施加正電壓和負電壓來驅動電晶體進入飽和區和截止區時，電晶體可以作為開關工作。

下圖給出了更好的解釋。

觀察連線I_C和V_CC的直流負載線。如果電晶體被驅動到飽和狀態，I_C完全流動並且V_CE = 0，這由點A指示。

如果電晶體被驅動到截止狀態，I_C將為零並且V_CE = V_CC，這由點B指示。連線飽和點A和截止點B的線稱為負載線。由於此處施加的電壓為直流電壓，因此稱為直流負載線。

實際考慮因素

儘管上述條件都令人信服，但要獲得此類結果，存在一些實際限制。

在截止狀態期間

理想電晶體具有V_CE = V_CC和I_C = 0。

但在實踐中，較小的漏電流流過集電極。

因此，I_C將為幾μA。

這稱為集電極漏電流，當然可以忽略不計。

在飽和狀態期間

理想電晶體具有V_CE = 0和I_C = I_C(sat)。

但在實踐中，V_CE會降低到某個稱為膝電壓的值。

當V_CE降低到低於膝電壓時，β會急劇下降。

由於I_C = βI_B，這會降低集電極電流。

因此，保持V_CE在膝電壓下的最大電流I_C被稱為飽和集電極電流。

飽和集電極電流 = $I_{C(sat)} \: = \: \frac{V_{CC} - V_{knee}}{R_C}$

僅為了使其用於開關目的而製造的電晶體稱為開關電晶體。它在飽和區或截止區工作。在飽和狀態下，集電極飽和電流流過負載，而在截止狀態下，集電極漏電流流過負載。

電晶體的開關動作

電晶體有三個工作區域。為了瞭解操作效率，需要考慮實際損耗。因此，讓我們嘗試瞭解電晶體作為開關的效率如何。

在截止（OFF）狀態期間

基極電流I_B = 0

集電極電流I_C = I_CEO（集電極漏電流）

功率損耗 = 輸出電壓×輸出電流

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

由於I_CEO非常小，並且V_CC也較低，因此損耗將非常低。因此，電晶體在OFF狀態下可以作為高效的開關工作。

在飽和（ON）狀態期間

如前所述，

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

輸出電壓為V_knee。

功率損耗 = 輸出電壓×輸出電流

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

由於V_knee的值很小，因此損耗很低。因此，電晶體在ON狀態下可以作為高效的開關工作。

在放大區

電晶體位於ON和OFF狀態之間。電晶體作為線性放大器工作，其中輸入電流的微小變化會導致輸出電流發生較大變化（ΔI_C）。

開關時間

開關電晶體的輸入為脈衝，輸出為具有少量變化的脈衝。關於開關輸出脈衝的定時，有一些術語您應該瞭解。讓我們來了解一下。

設輸入脈衝持續時間 = T

當施加輸入脈衝時，由於寄生電容，集電極電流需要一些時間才能達到穩態值。下圖說明了這一概念。

從上圖可以看出，

• 時間延遲(t_d) - 集電極電流從其初始值達到其最終值的10%所需的時間稱為時間延遲。

• 上升時間(t_r) - 集電極電流從其初始值的10%達到其最終值的90%所需的時間稱為上升時間。

• 導通時間 (T_ON) - 時間延遲 (t_d) 和上升時間 (t_r) 的總和稱為導通時間。

  T_ON = t_d + t_r

• 儲存時間 (t_s) - 輸入脈衝後沿到輸出最大值的90%之間的時間間隔稱為儲存時間。

• 下降時間 (t_f) - 集電極電流從其最大值的90%下降到其初始值的10%所需的時間稱為下降時間。

• 關斷時間 (T_OFF) - 儲存時間 (t_s) 和下降時間 (t_f) 的總和定義為關斷時間。

  T_OFF = t_s + t_f

• 脈衝寬度(W) - 在上升和下降波形的兩個50%電平之間測量的輸出脈衝持續時間定義為脈衝寬度。

脈衝電路 - 多諧振盪器概述

多諧振盪器電路不過是一個開關電路。它產生非正弦波，例如方波、矩形波和鋸齒波等。多諧振盪器用作頻率發生器、分頻器和延遲發生器，以及計算機等中的儲存元件。

電晶體基本上在其線性區域充當放大器。如果電晶體放大器的輸出級與前一個放大器級連線，則這種連線被稱為耦合。如果使用電阻耦合兩個這樣的放大器電路的級，則稱為電阻耦合放大器。有關更多詳細資訊，請參閱放大器教程。

什麼是多諧振盪器？

根據定義，多諧振盪器是一個兩級電阻耦合放大器，其一個放大器的輸出到另一個放大器的輸入存在正反饋。

兩個電晶體連線在反饋迴路中，因此一個電晶體控制另一個電晶體的狀態。因此，整個電路的ON和OFF狀態，以及電晶體被驅動到飽和或截止的時間段，由電路的條件控制。

下圖顯示了多諧振盪器的框圖。

多諧振盪器的型別

多諧振盪器有兩種可能的狀態。在第一級，電晶體Q₁導通，而電晶體Q₂截止。在第二級，電晶體Q₁截止，而電晶體Q₂導通。這兩種狀態在某些時間段內互換，具體取決於電路條件。

根據這兩種狀態互換的方式，多諧振盪器分為三種類型。他們是

非穩態多諧振盪器

無穩態多諧振盪器是一種電路，它自動切換兩種狀態，無需任何外部脈衝即可執行。由於它產生連續的方波輸出，因此稱為自由執行多諧振盪器。直流電源是常見需求。

這些狀態的時間段取決於所用元件的時間常數。由於多諧振盪器不斷切換，因此這些狀態被稱為準穩態或半穩態。因此，無穩態多諧振盪器具有兩個準穩態。

單穩態多諧振盪器

單穩態多諧振盪器具有一個穩定狀態和一個準穩態。它有一個觸發輸入到一個電晶體。因此，一個電晶體自動改變其狀態，而另一個電晶體需要觸發輸入才能改變其狀態。

由於此多諧振盪器為每個觸發脈衝產生一個輸出，因此稱為單次觸發多諧振盪器。此多諧振盪器不能在準穩態下停留較長時間，而是在穩定狀態下停留，直到接收到觸發脈衝。

雙穩態多諧振盪器

雙穩態多諧振盪器的兩個狀態都是穩定的。它需要兩個觸發脈衝來改變狀態。在給出觸發輸入之前，此多諧振盪器無法改變其狀態。它也稱為翻轉觸發多諧振盪器。

由於觸發脈衝設定或復位輸出，並且儲存某些資料（即高或低），直到它被幹擾，因此此多諧振盪器可以稱為翻轉觸發器。要了解有關觸發器的更多資訊，請參閱我們的數位電路教程：https://tutorialspoint.tw/digital_circuits/index.htm

為了更清楚地瞭解上述討論，讓我們看一下下圖。

所有這三種多諧振盪器將在後面的章節中詳細討論。

脈衝電路 - 無穩態多諧振盪器

無穩態多諧振盪器沒有穩定狀態。一旦多諧振盪器導通，它就會在由R_C時間常數確定的某個時間段後自行改變其狀態。直流電源或V_cc提供給電路以供其工作。

無穩態多諧振盪器的構造

兩個名為Q₁和Q₂的電晶體相互連線在反饋迴路中。電晶體Q₁的集電極透過電容器C₁連線到電晶體Q₂的基極，反之亦然。兩個電晶體的發射極都連線到地。集電極負載電阻R₁和R₄以及偏置電阻R₂和R₃的值相等。電容器C₁和C₂的值相等。

下圖顯示了無穩態多諧振盪器的電路圖。

無穩態多諧振盪器的執行

當施加V_cc時，電晶體的集電極電流增加。由於集電極電流取決於基極電流，

$$I_c = \beta I_B$$

由於沒有兩個電晶體的特性完全相同，因此兩個電晶體中的一個，例如Q₁，其集電極電流增加，因此導通。Q₁的集電極透過C₁施加到Q₂的基極。這種連線使Q₁集電極上增加的負電壓施加到Q₂的基極，並且其集電極電流減小。這種連續的動作使Q₂的集電極電流進一步減小。當此電流施加到Q₁的基極時，使其更加負，並且隨著累積作用，Q₁進入飽和狀態，而Q₂截止。因此，Q₁的輸出電壓將為V_{CE (sat)}，而Q₂將等於V_CC。

電容C₁透過R₁充電，當C₁兩端的電壓達到0.7V時，足以使電晶體Q₂飽和。由於此電壓施加到Q₂的基極，它進入飽和狀態，降低其集電極電流。點B處的電壓下降透過C₂施加到電晶體Q₁的基極，使Q₁反向偏置。一系列這些動作使電晶體Q₁截止，電晶體Q₂飽和。現在點A具有電位V_CC。電容C₂透過R₂充電。當此電容C₂兩端的電壓達到0.7V時，使電晶體Q₁飽和導通。

因此，輸出電壓和輸出波形是由電晶體Q₁和Q₂交替切換形成的。這些導通/截止狀態的時間週期取決於所用偏置電阻和電容的值，即取決於所用R_C的值。由於兩個電晶體交替工作，因此輸出為方波，峰值幅度為V_CC。

波形

Q₁和Q₂集電極處的輸出波形如下所示。

振盪頻率

電晶體Q₁的導通時間或電晶體Q₂的截止時間由下式給出

t₁ = 0.69R₁C₁

類似地，電晶體Q₁的截止時間或電晶體Q₂的導通時間由下式給出

t₂ = 0.69R₂C₂

因此，方波的總週期為

t = t₁ + t₂ = 0.69(R₁C₁ + R₂C₂)

由於R₁ = R₂ = R且C₁ = C₂ = C，因此方波的頻率將為

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

優點

使用無穩態多諧振盪器的優點如下：

• 不需要外部觸發。
• 電路設計簡單
• 價格低廉
• 可以連續工作

缺點

使用無穩態多諧振盪器的缺點如下：

• 電路內部能量吸收更多。
• 輸出訊號能量低。
• 無法實現小於或等於50%的佔空比。

應用

無穩態多諧振盪器用於許多應用，例如業餘無線電裝置、莫爾斯電碼發生器、定時器電路、類比電路和電視系統。

脈衝電路 - 單穩態多諧振盪器

顧名思義，單穩態多諧振盪器只有一個**穩定狀態**。當一個電晶體導通時，另一個電晶體保持截止狀態。穩定狀態是指電晶體保持不變的狀態，除非受到一些外部觸發脈衝的干擾。由於單穩態的工作原理相同，因此它還有另一個名稱，稱為**單次觸發多諧振盪器**。

單穩態多諧振盪器的結構

兩個電晶體Q₁和Q₂相互連線形成反饋。電晶體Q₁的集電極透過電容C₁連線到電晶體Q₂的基極。基極Q₁透過電阻R₂和電容C連線到Q₂的集電極。另一個直流電源電壓-V_BB透過電阻R₃施加到電晶體Q₁的基極。觸發脈衝透過電容C₂施加到Q₁的基極以改變其狀態。R_L1和R_L2是Q₁和Q₂的負載電阻。

當其中一個電晶體進入穩定狀態時，會施加一個外部觸發脈衝來改變其狀態。改變狀態後，電晶體在該準穩態或亞穩態狀態下保持特定時間段，該時間段由RC時間常數的值決定，並返回到先前的穩定狀態。

下圖顯示了單穩態多諧振盪器的電路圖。

單穩態多諧振盪器的操作

首先，當電路接通時，電晶體Q₁將處於截止狀態，而Q₂將處於導通狀態。這是穩定狀態。由於Q₁截止，集電極電壓將在點A處為V_CC，因此C₁充電。施加到電晶體Q₁基極的正觸發脈衝使電晶體導通。這降低了集電極電壓，從而使電晶體Q₂截止。此時，電容C₁開始放電。由於來自電晶體Q₂集電極的正電壓施加到電晶體Q₁，因此它保持導通狀態。這是準穩態或亞穩態。

電晶體Q₂保持截止狀態，直到電容C₁完全放電。此後，電晶體Q₂透過電容放電施加的電壓導通。這使電晶體Q₁導通，這是先前的穩定狀態。

輸出波形

Q₁和Q₂集電極處的輸出波形以及施加到Q₁基極的觸發輸入如下圖所示。

此輸出脈衝的寬度取決於RC時間常數。因此，它取決於R₁C₁的值。脈衝持續時間由下式給出

$$T = 0.69R_1 C_1$$

給定的觸發輸入將持續時間非常短，僅用於啟動動作。這觸發電路將其狀態從穩定狀態更改為準穩態或亞穩態或半穩態，電路在其中保持很短的持續時間。對於一個觸發脈衝，將有一個輸出脈衝。

優點

單穩態多諧振盪器的優點如下：

• 一個觸發脈衝就足夠了。
• 電路設計簡單
• 價格低廉

缺點

使用單穩態多諧振盪器的主要缺點是觸發脈衝T的應用之間的時間必須大於電路的RC時間常數。

應用

單穩態多諧振盪器用於電視電路和控制系統電路等應用。

脈衝電路 - 雙穩態多諧振盪器

雙穩態多諧振盪器具有**兩個穩定狀態**。電路停留在兩個穩定狀態中的任何一個。它會繼續保持該狀態，除非給出外部觸發脈衝。此多諧振盪器也稱為**觸發器**。此電路簡稱為**二進位制**。

雙穩態多諧振盪器有幾種型別。如下面的圖所示。

雙穩態多諧振盪器的結構

兩個相同的電晶體Q₁和Q₂以及負載電阻R_L1和R_L2相互連線形成反饋。基極電阻R₃和R₄連線到一個公共電源-V_BB。反饋電阻R₁和R₂由電容C₁和C₂分流，稱為**換向電容**。電晶體Q₁透過電容C₃在其基極處接收觸發輸入，電晶體Q₂透過電容C₄在其基極處接收觸發輸入。

電容C₁和C₂也稱為**加速電容**，因為它們縮短了**轉換時間**，這意味著從一個電晶體到另一個電晶體的傳導轉移所需的時間。

下圖顯示了自偏置雙穩態多諧振盪器的電路圖。

雙穩態多諧振盪器的操作

當電路接通時，由於某些電路不平衡（如無穩態），其中一個電晶體，例如Q₁導通，而電晶體Q₂截止。這是雙穩態多諧振盪器的穩定狀態。

透過在電晶體Q₁的基極處施加負觸發或在電晶體Q₂的基極處施加正觸發脈衝，此穩定狀態不會改變。因此，讓我們透過考慮電晶體Q₁基極處的負脈衝來理解這一點。結果，集電極電壓升高，這使電晶體Q₂正向偏置。Q₂的集電極電流施加到Q₁的基極，反向偏置Q₁，並且這種累積作用使電晶體Q₁截止，電晶體Q₂導通。這是多諧振盪器的另一種穩定狀態。

現在，如果要再次更改此穩定狀態，則應在電晶體Q₂處施加負觸發脈衝或在電晶體Q₁處施加正觸發脈衝。

輸出波形

Q₁和Q₂集電極處的輸出波形以及施加到Q_W和Q₂基極的觸發輸入如下圖所示。

優點

使用雙穩態多諧振盪器的優點如下：

• 儲存先前的輸出，除非受到干擾。
• 電路設計簡單

缺點

雙穩態多諧振盪器的缺點如下：

• 需要兩種型別的觸發脈衝。
• 比其他多諧振盪器稍微貴一些。

應用

雙穩態多諧振盪器用於脈衝生成和數字運算（如計數和儲存二進位制資訊）等應用。

固定偏置二進位制

固定偏置二進位制電路類似於無穩態多諧振盪器，但帶有一個簡單的單刀雙擲開關。兩個電晶體連線形成反饋，並有兩個電阻，一個集電極連線到另一個電晶體的基極。下圖顯示了固定偏置二進位制的電路圖。

為了理解操作，讓我們考慮開關位於位置1。現在電晶體Q₁將截止，因為基極接地。輸出端V_O1處的集電極電壓將等於V_CC，這使得電晶體Q₂導通。端子V_O2處的輸出變低。這是一個穩定狀態，只有透過外部觸發才能改變。開關更改為位置2作為觸發。

當開關改變時，電晶體Q₂的基極接地，使其截止。V_O2處的集電極電壓將等於V_CC，施加到電晶體Q₁使其導通。這是另一種穩定狀態。在此電路中，觸發是藉助單刀雙擲開關實現的。

給二進位制電路提供的兩種主要型別的觸發是

• 對稱觸發
• 非對稱觸發

施密特觸發器

另一種需要討論的二進位制電路是**發射極耦合二進位制**電路。此電路也稱為**施密特觸發器**電路。由於其應用，此電路被認為是其種類中的一種特殊型別。

此電路結構的主要區別在於，從第二個電晶體的輸出C₂到第一個電晶體的基極B1的耦合消失了，並且現在透過電阻R_e獲得反饋。由於此電路具有**正反饋**和**無相位反轉**，因此稱為**再生電路**。使用BJT的施密特觸發器電路如下所示。

最初，我們有Q₁截止和Q₂導通。施加到Q₂基極的電壓透過R_C1和R₁為V_CC。因此，輸出電壓將為

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

由於Q₂導通，R_E上將存在電壓降，這將是(I_C2 + I_B2) R_E。現在此電壓施加到Q₁的發射極。輸入電壓增加，並且直到Q₁達到導通的壓降電壓，輸出保持低電平。當Q₁導通時，輸出將增加，因為Q₂也導通。隨著輸入電壓繼續上升，點C₁和B₂處的電壓繼續下降，E₂繼續上升。在輸入電壓的某個值下，Q₂截止。此時輸出電壓將為V_CC，並且即使輸入電壓進一步增加，也保持恆定。

隨著輸入電壓上升，輸出保持低電平，直到輸入電壓達到V₁，其中

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

當輸入電壓等於V₁時，使電晶體Q₁進入飽和狀態的值稱為UTP（上觸發點）。如果電壓已經大於V₁，則它將保持在那裡，直到輸入電壓達到V₂，這是一個低電平轉換。因此，輸入電壓為V₂時，Q₂導通的值稱為LTP（下觸發點）。

輸出波形

輸出波形如下所示。

施密特觸發電路作為一個比較器，因此將輸入電壓與兩個不同的電壓電平進行比較，這兩個電壓電平稱為UTP（上觸發點）和LTP（下觸發點）。如果輸入超過此UTP，則將其視為高電平；如果輸入低於此LTP，則將其視為低電平。輸出將是一個二進位制訊號，表示高電平為1，低電平為0。因此，模擬訊號被轉換為數字訊號。如果輸入處於中間值（高電平和低電平之間），則前一個值為輸出。

這個概念依賴於稱為磁滯現象的現象。電子電路的傳輸特性表現出一個稱為回滯的環路。它說明輸出值取決於輸入的當前值和過去值。這可以防止施密特觸發電路中出現不需要的頻率切換。

優點

施密特觸發電路的優點是

• 保持完美的邏輯電平。
• 有助於避免亞穩態。
• 由於其脈衝整形功能，優於普通比較器。

缺點

施密特觸發器的主要缺點是

• 如果輸入緩慢，則輸出將更慢。
• 如果輸入有噪聲，則輸出將有更多噪聲。

施密特觸發器的應用

施密特觸發電路用作幅度比較器和方波發生器。它們還用於脈衝整形和銳化電路。

這些是使用電晶體的多諧振盪器電路。相同的多諧振盪器也可以使用運算放大器和IC 555定時器電路設計，這些將在後續教程中討論。

時基發生器概述

在討論了脈衝電路的基本原理之後，讓我們現在瞭解一下生成和處理鋸齒波的不同電路。鋸齒波隨時間線性增加，並突然下降。這也被稱為時基訊號。實際上，這是時基發生器的理想輸出。

什麼是時基發生器？

能夠產生高頻鋸齒波的電子發生器可以稱為時基發生器。它也可以理解為一個電子電路，該電路產生一個輸出電壓或電流波形，其中一部分隨時間線性變化。時基發生器的水平速度必須恆定。

為了在示波器上顯示訊號隨時間的變化，必須將隨時間線性變化的電壓施加到偏轉板。這使得訊號能夠水平掃描螢幕上的電子束。因此，該電壓稱為掃描電壓。時基發生器被稱為掃描電路。

時基訊號的特徵

為了在示波器或映象管中產生時基波形，偏轉電壓隨時間線性增加。通常，在電子束線性偏轉並返回到其起始點的地方使用時基發生器。這發生在掃描過程中。陰極射線管和映象管的工作原理相同。電子束在螢幕上從一側到另一側（通常是從左到右）偏轉，並返回到同一點。

這種現象稱為描跡和回掃。電子束在螢幕上從左到右的偏轉稱為描跡，而電子束從右到左的返回稱為回掃或回掃時間。通常，此回掃不可見。此過程藉助鋸齒波發生器完成，該發生器使用RC元件設定偏轉的週期。

讓我們嘗試瞭解鋸齒波的各個部分。

在上述訊號中，輸出線性增加的時間稱為掃描時間（T_S），訊號返回到其初始值所需的時間稱為恢復時間或回掃時間或回掃時間（T_r）。這兩個時間段一起構成時基訊號一個週期的週期。

實際上，我們得到的這個掃描電壓波形是掃描電路的實際輸出，而理想輸出必須是上圖所示的鋸齒波形。

時基發生器的型別

時基發生器有兩種型別。它們是：

• 電壓時基發生器 - 提供隨時間線性變化的輸出電壓波形的時基發生器稱為電壓時基發生器。

• 電流時基發生器 - 提供隨時間線性變化的輸出電流波形的時基發生器稱為電流時基發生器。

應用

時基發生器用於示波器、電視機、雷達顯示器、精確時間測量系統和時間調製。

掃描訊號的誤差

生成掃描訊號後，就該傳輸它們了。傳輸的訊號可能會受到線性偏差的影響。為了理解和糾正發生的錯誤，我們必須瞭解常見的錯誤。

線性偏差以三種不同的方式表示。它們是：

• 斜率或掃描速度誤差
• 位移誤差
• 傳輸誤差

讓我們詳細討論一下。

斜率或掃描速度誤差 (e_s)

掃描電壓必須隨時間線性增加。掃描電壓隨時間的變化率必須恆定。這種線性偏差定義為斜率速度誤差或掃描速度誤差。

斜率或掃描速度誤差 e_s = $\frac{掃描開始和結束時斜率的差異}{斜率的初始值}$

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

位移誤差 (e_d)

線性度的重要標準是實際掃描電壓與透過實際掃描的起始點和終點的線性掃描之間的最大差異。

從下圖可以理解這一點。

位移誤差e_d定義為

e_d = $\frac{(實際速度)\thicksim (透過實際掃描的開始和結束點的線性掃描)}{掃描結束時的掃描幅度}$

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

其中V_s是實際掃描，V’_s是線性掃描。

傳輸誤差 (e_t)

當掃描訊號透過高通電路時，輸出會偏離輸入，如下所示。

此偏差表示為傳輸誤差。

傳輸誤差 = $\frac{(輸入)\: \thicksim \:(輸出)}{掃描結束時的輸入}$

$$e_t = \frac{V′_s − V}{V′_s}$$

其中V’_s是輸入，V_s是掃描結束時（即t = T_s）的輸出。

如果線性偏差非常小，並且掃描電壓可以用t中的線性項和二次項之和來近似，則上述三個誤差的關係為

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

$$e_s = 2e_t = 8e_d$$

掃描速度誤差比位移誤差更佔優勢。

時基發生器的型別

由於我們知道有兩種型別的時基發生器，讓我們嘗試瞭解這些時基發生器電路的基本電路。

電壓時基發生器

提供隨時間線性變化的輸出電壓波形的時基發生器稱為電壓時基發生器。

讓我們嘗試瞭解基本的電壓時基發生器。

一個簡單的電壓時基發生器

一個基本的簡單RC時基發生器或斜坡發生器或掃描電路由一個電容C組成，該電容透過串聯連線的電阻R₂經V_CC充電。它包含一個BJT，其基極透過電阻R₁連線。電容透過電阻充電，並透過電晶體放電。

下圖顯示了一個簡單的RC掃描電路。

透過施加一個正向電壓脈衝，電晶體Q導通至飽和狀態，電容透過Q和R₁快速放電至V_{CE (sat)}。當輸入脈衝結束時，Q關閉，電容C開始充電，並繼續充電直到下一個輸入脈衝。此過程重複，如下面的波形所示。

當電晶體導通時，它為電容提供了一個低阻抗路徑以快速放電。當電晶體處於截止狀態時，電容將根據以下公式呈指數上升至電源電壓V_CC

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

其中

• V_O = 時間t時電容上的瞬時電壓
• V_CC = 供電電壓
• t = 消耗時間
• R = 串聯電阻的值
• C = 電容的值

現在讓我們嘗試瞭解不同型別的時基發生器。

我們剛剛討論的電路是一個電壓時基發生器電路，因為它以電壓的形式提供輸出。

電流時基發生器

提供隨時間線性變化的輸出電流波形的時基發生器稱為電流時基發生器。

讓我們嘗試瞭解基本的電流時基發生器。

一個簡單的電流時基發生器

一個基本的簡單RC時基發生器或斜坡發生器或掃描電路由一個共基配置電晶體和兩個電阻組成，一個在發射極，另一個在集電極。V_CC施加到電晶體的集電極。基本斜坡電流發生器的電路圖如下所示。

以共基配置連線的電晶體的集電極電流隨其發射極電流線性變化。當發射極電流保持恆定時，集電極電流也將接近恆定值，除了非常小的集電極基極電壓值。

當在電晶體的基極施加輸入電壓V_i時，它出現在發射極，產生髮射極電流i_E，並且隨著V_i從零增加到其峰值，該電流線性增加。隨著發射極電流的增加，集電極電流也增加，因為i_C幾乎等於i_E。

負載電流的瞬時值為

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

輸入和輸出波形如下所示。

自舉時基發生器

自舉掃描發生器是一種時基發生器電路，其輸出透過反饋饋送到輸入。這將增加或減少電路的輸入阻抗。此自舉過程用於實現恆定充電電流。

自舉時基發生器的構造

自舉時間基準發生器電路由兩個電晶體組成，Q₁充當開關，Q₂充當射極跟隨器。電晶體Q₁的基極連線輸入電容C_B，並透過電阻R_B連線到V_CC。電晶體Q₁的集電極連線到電晶體Q₂的基極。Q₂的集電極連線到V_CC，而其射極透過電阻R_E接地，輸出電壓取自該電阻兩端。

使用一個二極體D，其陽極連線到V_CC，陰極連線到電容C₂，C₂又連線到輸出端。二極體D的陰極還連線到電阻R，電阻R又連線到電容C₁。C₁和R透過Q₂的基極和Q₁的集電極連線。電容C₁兩端的電壓提供輸出電壓V_o。

下圖說明了自舉時間基準發生器的結構。

自舉時間基準發生器的工作原理

在t = 0時施加門控波形之前，由於電晶體透過R_B從V_CC獲得足夠的基極驅動，因此Q₁導通，Q₂截止。電容C₂透過二極體D充電至V_CC。然後，來自單穩態多諧振盪器的門控波形的負觸發脈衝施加到Q₁的基極，使Q₁截止。電容C₂現在開始放電，電容C₁透過電阻R充電。由於電容C₂具有較大的電容值，其電壓水平（充電和放電）變化較慢。因此，它緩慢放電，並在Q₂輸出端產生斜坡波形期間保持幾乎恆定的值。

在斜坡時間內，二極體D反向偏置。電容C₂為電容C₁充電提供少量電流I_C1。由於電容值較高，儘管它提供了電流，但對其電荷的影響不大。當Q₁在斜坡時間結束時導通時，C₁快速放電至其初始值。此電壓出現在V_O兩端。因此，二極體D再次正向偏置，電容C₂獲得一脈衝電流以恢復在C₁充電期間損失的小部分電荷。現在，電路已準備好產生另一個斜坡輸出。

電容C2有助於為電容C1提供一些反饋電流，充當自舉電容，提供恆定電流。

輸出波形

獲得的輸出波形如下面的圖所示。

上圖顯示了輸入脈衝和表示電容C₁充電和放電的電壓V_C1，該電壓貢獻了輸出。

優點

這種自舉斜坡發生器的主要優點是輸出電壓斜坡非常線性，並且斜坡幅度達到電源電壓水平。

脈衝電路 - 米勒掃描發生器

電晶體米勒時間基準發生器電路是一種常用的米勒積分器電路，可產生掃描波形。這主要用於水平偏轉電路。

讓我們嘗試瞭解米勒時間基準發生器電路的結構和工作原理。

米勒掃描發生器的結構

米勒時間基準發生器電路在初始階段由一個開關和一個定時電路組成，其輸入來自施密特觸發器電路。放大器部分是接下來的一個部分，它有三個級，第一個是射極跟隨器，第二個是放大器，第三個也是射極跟隨器。

射極跟隨器電路通常充當緩衝放大器。它具有低輸出阻抗和高輸入阻抗。低輸出阻抗使電路能夠驅動較重的負載。高輸入阻抗防止電路載入其前面的電路。最後一個射極跟隨器部分不會載入前面的放大器部分。因此，放大器的增益將很高。

放置在Q₁的基極和Q₃的射極之間的電容C是定時電容。R和C的值以及V_BB電壓水平的變化會改變掃描速度。下圖顯示了米勒時間基準發生器的電路圖。

米勒掃描發生器的工作原理

當施密特觸發器輸出為負脈衝時，電晶體Q₄導通，射極電流流過R₁。射極處於負電位，並且相同的電位施加到二極體D的陰極，使其正向偏置。由於電容C在此處被旁路，因此它沒有充電。

施加觸發脈衝會使施密特觸發器輸出變高，這反過來又使電晶體Q₄截止。現在，在Q₄的射極上施加10v的電壓，使電流流過R₁，這也使二極體D反向偏置。由於電晶體Q₄處於截止狀態，電容C從V_BB透過R充電，並在Q₃的射極處提供一個下降掃描輸出。在掃描結束時，電容C透過D和電晶體Q₄放電。

考慮到電容C₁的影響，斜率速度或掃描速度誤差由下式給出

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

應用

米勒掃描電路是在許多裝置中使用最廣泛的積分器電路。它是一種廣泛使用的鋸齒波發生器。

脈衝電路 - 單結電晶體

單結電晶體是一種只有一個PN接面的電晶體，但它不是二極體。單結電晶體，或簡稱UJT，與普通電晶體不同，它有一個發射極和兩個基極。該元件因其負阻特性以及用作弛豫振盪器的應用而聞名。

UJT的結構

一塊高阻抗的n型矽被認為形成了基極結構。在兩端各引出兩個歐姆接觸，這兩端都是基極。一個類似鋁棒的結構連線到它上面，成為發射極。該發射極靠近基極2，遠離基極1。這兩個連線形成一個PN接面。由於只有一個PN接面，因此該元件被稱為單結電晶體。

棒內部存在一個稱為內阻的電阻，其阻值取決於棒的摻雜濃度。UJT的結構和符號如下所示。

在符號中，發射極由一個傾斜的箭頭表示，其餘兩個端點表示基極。由於UJT被理解為二極體和一些電阻的組合，因此可以使用等效電路圖來表示UJT的內部結構，以解釋UJT的工作原理。

UJT的工作原理

可以透過UJT的等效電路來理解其工作原理。施加在發射極上的電壓表示為V_E，基極1和基極2的內阻分別表示為R_B1和R_B2。內部存在的這兩個電阻一起稱為內阻，表示為R_BB。RB1兩端的電壓可以表示為V₁。為電路工作而施加的直流電壓為V_BB。

UJT等效電路如下所示。

最初，當沒有施加電壓時，

$$V_E = 0$$

然後透過R_B2施加電壓V_BB。二極體D將反向偏置。二極體兩端的電壓將為VB，即發射極二極體的勢壘電壓。由於施加了V_BB，點A處出現一些電壓。因此，總電壓將為V_A + V_B。

現在，如果發射極電壓V_E增加，電流I_E將流過二極體D。此電流使二極體正向偏置。載流子被感應，電阻R_B1開始減小。因此，R_B1兩端的電位，即V_B1也減小。

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

由於V_BB是恆定的，並且由於通道的摻雜濃度，R_B1減小到其最小值，因此V_B1也減小。

實際上，內部存在的電阻一起稱為內阻，表示為R_BB。上面提到的電阻可以表示為

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

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

符號η用於表示施加的總電阻。

因此，V_B1兩端的電壓表示為

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

發射極電壓表示為

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

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

其中V_D是二極體兩端的電壓。

當二極體正向偏置時，其兩端的電壓將為0.7v。因此，這是恆定的，而V_B1不斷減小。因此，V_E不斷減小。它減小到一個最小值，可以表示為V_V，稱為谷電壓。UJT導通時的電壓稱為峰值電壓，表示為V_P。

UJT的伏安特性

到目前為止討論的概念可以透過以下所示的圖形清楚地理解。

最初，當V_E為零時，一些反向電流IE會流過，直到VE的值達到

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

這一點是曲線與Y軸相交的點。

當V_E達到

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

此時，二極體正向偏置。

此點的電壓稱為V_P（峰值電壓），此點的電流稱為I_P（峰值電流）。到目前為止圖形中的部分稱為截止區，因為UJT處於截止狀態。

現在，當V_E進一步增加時，電阻R_B1以及電壓V₁也減小，但流過它的電流增加。這是負阻特性，因此該區域稱為負阻區。

現在，電壓V_E達到某個點，在此之後進一步增加會導致R_B1兩端的電壓增加。此點的電壓稱為V_V（谷電壓），此點的電流稱為I_V（谷電流）。此區域之後稱為飽和區。

UJT的應用

UJT最常被用作弛豫振盪器。它們還用於相位控制電路。此外，UJT被廣泛用於為數位電路提供時鐘、為各種裝置提供定時控制、控制閘流體的觸發以及在示波器中為水平偏轉電路提供同步脈衝。

UJT作為弛豫振盪器

振盪器是一種無需任何輸入就能自行產生波形的裝置。雖然施加了一些直流電壓以使裝置工作，但它不會產生任何輸入波形。弛豫振盪器是一種能夠自行產生非正弦波形的裝置。該波形通常取決於電路中電容的充放電時間常數。

結構和工作原理

UJT的發射極與一個電阻和一個電容連線，如圖所示。RC時間常數決定了弛豫振盪器輸出波形的定時。兩個基極分別與一個電阻連線。給出直流電源電壓V_BB。

下圖顯示瞭如何使用UJT作為弛豫振盪器。

最初，電容兩端的電壓為零。

$$V_c = 0$$

UJT處於截止狀態。電阻R為電容C提供了一條路徑，使其透過施加的電壓充電。

電容根據以下電壓充電

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

電容器通常開始充電並持續充電，直到達到最大電壓V_BB。但在這個電路中，當電容器兩端的電壓達到使UJT導通的值（峰值電壓）時，電容器停止充電並開始透過UJT放電。現在，這種放電持續到使UJT截止的最小電壓（谷值電壓）。這個過程持續進行，當電容器兩端的電壓在圖上顯示時，會觀察到以下波形。

因此，電容器的充放電產生如上所示的掃描波形。充電時間產生上升掃描，放電時間產生下降掃描。這個迴圈的重複形成了一個連續的掃描輸出波形。

由於輸出是非正弦波形，因此該電路被稱為弛豫振盪器。

弛豫振盪器的應用

弛豫振盪器廣泛應用於函式發生器、電子蜂鳴器、開關電源、逆變器、閃光器和壓控振盪器。

脈衝電路 - 同步

在任何具有不同波形發生器的系統中，都需要使所有發生器同步工作。同步是指使兩個或多個波形發生器在週期中的某個參考點精確地同時到達的過程。

同步的型別

同步可以分為以下兩種型別：

一對一

• 所有發生器以相同的頻率工作。

• 它們都精確地在週期中的某個參考點同時到達。

帶分頻的同步

• 發生器以不同的頻率工作，這些頻率彼此之間是整數倍的關係。

• 它們都精確地在週期中的某個參考點同時到達。

弛豫器件

弛豫電路是指透過電容器的逐漸充電來建立定時間隔的電路，定時間隔透過電容器的突然放電（弛豫）來終止。

示例 - 多諧振盪器、掃描電路、阻斷振盪器等。

我們在UJT弛豫振盪器電路中觀察到，當負阻器件（如UJT）導通時，電容器停止充電。然後電容器透過它放電，直到達到其最小值。這兩個點分別表示掃描波形的最大和最小電壓點。

弛豫器件中的同步

如果需要將掃描波形的高電壓或峰值電壓或擊穿電壓降低到較低水平，則可以施加外部訊號。要施加的此訊號是同步訊號，其作用在脈衝持續時間內降低峰值或擊穿電壓。同步脈衝通常施加在負阻器件的發射極或基極上。為了實現同步，施加具有規則間隔脈衝的脈衝序列。

儘管首先施加了同步訊號，但前幾個脈衝對掃描發生器沒有影響，因為在脈衝出現時掃描訊號的幅度加上脈衝的幅度小於V_P。因此，掃描發生器非同步執行。UJT導通的確切時刻由脈衝出現的瞬間決定。這是同步訊號與掃描訊號實現同步的點。這可以從下圖中觀察到。

其中，

• T_P是脈衝訊號的週期
• T_O是掃描訊號的週期
• V_P是峰值或擊穿電壓
• V_V是谷值或維持電壓

為了實現同步，脈衝定時間隔T_P應小於掃描發生器的週期T_O，以便提前終止掃描週期。如果脈衝定時間隔T_P大於掃描發生器的週期T_O，並且如果脈衝的幅度不足以彌合靜態擊穿和掃描電壓之間的差距，即使T_P小於T_O，也無法實現同步。

掃描電路中的分頻

在前面的主題中，我們觀察到當滿足以下條件時，可以實現同步。它們是

• 當T_P < T_O時

• 當脈衝的幅度足以提前終止每個週期時。

滿足這兩個條件，雖然實現了同步，但我們經常會在掃描中遇到關於同步定時的一些有趣的模式。下圖說明了這一點。

我們可以觀察到，同步後的掃描幅度V’_S小於非同步幅度V_S。此外，掃描的週期T_O根據脈衝的週期進行調整，但在兩者之間留出一個週期。這意味著，一個掃描週期等於兩個脈衝週期。每隔一個週期實現同步，這表明

$$T_o > 2T_P$$

掃描定時T_O被限制為T_S，其幅度減小到V’_S。

由於每隔一個脈衝與掃描週期同步，因此該訊號可以理解為一個以2為因數進行分頻的電路。因此，分頻電路是透過同步獲得的。

脈衝電路 - 阻斷振盪器

振盪器是一個電路，它自身提供交流電壓或電流，而無需施加任何輸入。振盪器需要一個放大器，還需要來自輸出的反饋。提供的反饋應該是再生反饋，它與輸出訊號的一部分一起，在輸出訊號中包含一個與輸入訊號同相的分量。使用再生反饋產生非正弦輸出的振盪器稱為弛豫振盪器。

我們已經看到了UJT弛豫振盪器。另一種弛豫振盪器是阻斷振盪器。

阻斷振盪器

阻斷振盪器是一種波形發生器，用於產生窄脈衝或觸發脈衝。在接收來自輸出訊號的反饋的同時，它會在一個週期之後，在某個預定的時間內阻斷反饋。這種阻斷輸出同時又是振盪器的特點，使其獲得了阻斷振盪器的名稱。

在阻斷振盪器的構造中，電晶體用作放大器，變壓器用作反饋。這裡使用的變壓器是脈衝變壓器。脈衝變壓器的符號如下所示。

脈衝變壓器

脈衝變壓器是一種將矩形脈衝電能源耦合到負載的變壓器。保持脈衝的形狀和其他特性不變。它們是寬頻變壓器，具有最小衰減和零或最小相移。

變壓器的輸出取決於連線的電容器的充放電。

透過使用脈衝變壓器可以輕鬆實現再生反饋。透過正確選擇脈衝變壓器的繞組極性，可以將輸出以相同相位反饋到輸入。阻斷振盪器就是這樣一種使用電容器和脈衝變壓器以及單個晶體管制成的自由執行振盪器，在大部分佔空比下電晶體都處於截止狀態，從而產生週期性脈衝。

使用阻斷振盪器，可以實現不穩定和單穩態操作。但是，雙穩態操作是不可能的。讓我們一起了解它們。

單穩態阻斷振盪器

如果阻斷振盪器需要單個脈衝來改變其狀態，則稱為單穩態阻斷振盪器電路。這些單穩態阻斷振盪器可以分為兩種型別。它們是

• 基極定時單穩態阻斷振盪器
• 發射極定時單穩態阻斷振盪器

在這兩種情況下，定時電阻R控制門寬，當它放置在電晶體的基極時成為基極定時電路，當它放置在電晶體的發射極時成為發射極定時電路。

為了更好地理解，讓我們討論基極定時單穩態多諧振盪器的工作原理。

電晶體觸發基極定時單穩態阻斷振盪器

一個電晶體、一個用於反饋的脈衝變壓器和一個連線在電晶體基極上的電阻構成了電晶體觸發基極定時單穩態阻斷振盪器的電路。這裡使用的脈衝變壓器具有n:1的匝數比，其中基極電路每匝對應集電極電路1匝。一個電阻R串聯連線到電晶體的基極，用於控制脈衝持續時間。

最初，電晶體處於截止狀態。如以下圖所示，VBB被認為是零或太低，可以忽略不計。

由於器件處於截止狀態，因此集電極電壓為V_CC。但是，當在集電極施加負觸發時，電壓會降低。由於變壓器的繞組極性，集電極電壓下降，而基極電壓上升。

當基極到發射極電壓大於壓降電壓時，即

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

然後，觀察到一個小基極電流。這會增加集電極電流，從而降低集電極電壓。此動作進一步累積，這會進一步增加集電極電流並降低集電極電壓。透過再生反饋作用，如果環路增益增加，則電晶體會很快進入飽和狀態。但這並不是一個穩定狀態。

然後，觀察到一個小基極電流。這會增加集電極電流，從而降低集電極電壓。此動作進一步累積，這會進一步增加集電極電流並降低集電極電壓。透過再生反饋作用，如果環路增益增加，則電晶體會很快進入飽和狀態。但這並不是一個穩定狀態。

當電晶體進入飽和狀態時，集電極電流增加，而基極電流保持恆定。現在，集電極電流緩慢開始為電容器充電，並且變壓器上的電壓降低。由於變壓器繞組極性，基極電壓升高。這反過來又降低了基極電流。這種累積作用使電晶體進入截止狀態，這是電路的穩定狀態。

輸出波形如下：

該電路的主要缺點是輸出脈衝寬度無法保持穩定。我們知道集電極電流為

$$i_c = h_{FE}i_B$$

由於h_FE與溫度相關，並且脈衝寬度隨其線性變化，因此輸出脈衝寬度無法穩定。此外，h_FE隨所用電晶體而變化。

無論如何，如果將電阻放置在發射極，則可以消除此缺點，這意味著解決方案是發射極定時電路。當上述條件發生時，電晶體在發射極定時電路中關閉，因此獲得穩定的輸出。

不穩定阻斷振盪器

如果阻斷振盪器可以自動改變其狀態，則稱為不穩定阻斷振盪器電路。這些不穩定阻斷振盪器可以分為兩種型別。它們是

• 二極體控制不穩定阻斷振盪器
• RC控制不穩定阻斷振盪器

在二極體控制不穩定阻斷振盪器中，放置在集電極上的二極體改變了阻斷振盪器的狀態。而在RC控制不穩定阻斷振盪器中，定時電阻R和電容C在發射極部分形成一個網路，以控制脈衝定時。

為了更好地理解，讓我們討論二極體控制不穩定阻斷振盪器的工作原理。

二極體控制不穩定阻斷振盪器

二極體控制不穩定阻斷振盪器在集電極電路中包含一個脈衝變壓器。一個電容器連線在變壓器副繞組和電晶體的基極之間。變壓器初級繞組和二極體連線在集電極上。

在電晶體的集電極施加一個初始脈衝以啟動該過程，從那時起不需要任何脈衝，電路表現為不穩定多諧振盪器。下圖顯示了二極體控制不穩定阻斷振盪器的電路。

最初，電晶體處於截止狀態。為了啟動電路，在集電極施加負觸發脈衝。陽極連線到集電極的二極體將處於反向偏置狀態，並且透過施加此負觸發脈衝而關閉。

此脈衝施加到脈衝變壓器上，由於繞組極性（如圖所示），相同量的電壓被感應而沒有相位反轉。此電壓透過電容器流向基極，貢獻一些基極電流。此基極電流產生一些基極到發射極的電壓，當其超過導通電壓時，將電晶體Q₁推至導通狀態。現在，電晶體Q₁的集電極電流上升，並施加到二極體和變壓器上。最初處於截止狀態的二極體現在導通。感應到變壓器初級繞組中的電壓會感應到變壓器次級繞組中的一些電壓，利用該電壓，電容器開始充電。

由於電容器在充電時不會提供任何電流，因此基極電流i_B停止流動。這使得電晶體Q₁截止。因此狀態發生了改變。

現在，導通的二極體在其兩端有一些電壓，該電壓施加到變壓器初級，並感應到次級。現在，電流流過電容器，使電容器放電。因此基極電流i_B流動，再次使電晶體導通。輸出波形如下所示。

由於二極體幫助電晶體改變其狀態，因此該電路是二極體控制的。此外，觸發脈衝僅在啟動時施加，而電路本身不斷改變其狀態，因此該電路是不穩定振盪器。因此，被稱為二極體控制的不穩定阻斷振盪器。

另一種型別的電路在電晶體的發射極部分使用R和C組合，被稱為RC控制的不穩定阻斷振盪器電路。

脈衝電路 - 取樣門

到目前為止，我們已經遇到了不同的脈衝電路。有時，我們需要將此類脈衝輸入的應用限制在某些時間段內。幫助我們實現這一目標的電路是**取樣閘電路**。這些也稱為**線性門**或**傳輸門**或**選擇電路**。

這些取樣門有助於在某個時間間隔內選擇傳輸訊號，在此時間間隔內，輸出訊號與輸入訊號相同，否則為零。該時間段是使用**控制訊號**或**選擇訊號**選擇的。

取樣門

對於取樣門，輸出訊號必須與輸入訊號相同或與輸入訊號成比例，且僅在選定的時間間隔內，否則應為零。該選定的時間段稱為**傳輸週期**，其他時間段稱為**非傳輸週期**。這是使用由V_C指示的**控制訊號**選擇的。下圖說明了這一點。

當控制訊號V_C處於V₁時，取樣門關閉，當V_C處於V₂時，它開啟。脈衝寬度T_g指示施加門脈衝的時間段。

取樣門的型別

取樣門的型別包括 -

• **單向取樣門** - 這種型別的取樣門可以將其中的正脈衝或負脈衝透過。它們使用二極體構建。

• **雙向取樣門** - 這種型別的取樣門可以將其中的正脈衝和負脈衝透過。它們使用二極體或BJT構建。

使用的開關型別

取樣門可以使用串聯或並聯開關構建。開關需要開啟或關閉的時間段由門控脈衝訊號確定。這些開關由有源元件（如二極體和電晶體）替換。

下圖顯示了使用串聯和並聯開關的取樣門的框圖。

使用串聯開關的取樣門

在這種型別的開關中，如果開關S閉合，則輸出將完全等於或與輸入成比例。該時間段將是**傳輸週期**。

如果開關S開啟，則輸出將為零或接地訊號。該時間段將是**非傳輸週期**。

使用並聯開關的取樣門

在這種型別的開關中，如果開關S閉合，則輸出將為零或接地訊號。該時間段將是**非傳輸週期**。

如果開關S開啟，則輸出將完全等於或與輸入成比例。該時間段將是**傳輸週期**。

取樣門與數位電路的邏輯閘完全不同。它們也由脈衝或電壓電平表示。但它們是數字門，其輸出不是輸入的精確副本。而取樣閘電路是模擬門，其輸出是輸入的精確副本。

在接下來的章節中，我們將討論取樣門的型別。

單向取樣門

在瞭解了取樣門的概念之後，現在讓我們嘗試瞭解取樣門的型別。單向取樣門可以將其中的正脈衝或負脈衝透過。它們使用二極體構建。

單向取樣閘電路由電容器C、二極體D和兩個電阻R₁和R_L組成。訊號輸入提供給電容器，控制輸入提供給電阻R₁。輸出取自負載電阻R_L兩端。電路如下所示。

根據二極體的功能，它僅在二極體的陽極比二極體的陰極更正時才導通。如果二極體在其輸入端有正訊號，則它導通。門訊號導通的時間段是傳輸週期。因此，在該週期內傳輸輸入訊號。否則無法傳輸。

下圖顯示了輸入訊號和門訊號的時間段。

輸入訊號僅在門導通的時間段內傳輸，如圖所示。

從電路中我們有，

二極體的陽極施加了兩個訊號（V_S和V_C）。如果陽極的電壓表示為V_P，陰極的電壓表示為V_N，則輸出電壓獲得為

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

所以二極體處於正向偏置狀態。

$$V_O = V_S + V_1 > V_N$$

然後

$$V_O = V_S$$

當V₁ = 0時，

然後

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

V₁的理想值為0。

因此，如果V₁ = 0，則整個輸入訊號出現在輸出端。如果V₁的值為負，則會丟失一些輸入，如果V₁為正，則輸入訊號會與輸出端一起出現額外的訊號。

所有這些都在傳輸週期內發生。

在非傳輸週期內，

$$V_O = 0$$

因為二極體處於反向偏置狀態

當陽極上的電壓小於陰極上的電壓時，

$$V_S + V_C < 0 \: 伏特$$

在非傳輸週期內，

$$V_C = V_2$$

$$V_S + V_2 < 0$$

V₂的大小應遠大於V_s。

$$|V_2| ≫ V_S$$

因為要使二極體處於反向偏置狀態，電壓V_S和V_C的總和必須為負。V_C（現在是V₂）應儘可能負，以便即使V_S為正，這兩個電壓的總和也應產生負結果。

特殊情況

現在，讓我們看看輸入電壓的不同值的幾種情況，其中控制電壓為某個負值。

情況1

讓我們舉一個V_S = 10V且V_C = -10v（V₁）至-20v（V₂）的例子

現在，當這兩個訊號（V_S和V_C）施加時，陽極上的電壓將為

$$V_P = V_S + V_C$$

由於這是關於傳輸週期，因此僅將V₁視為V_C。

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

因此，輸出將為零，儘管施加了一些輸入電壓。下圖說明了這一點。

情況2

讓我們舉一個V_S = 10V且V_C = -5v（V₁）至-20v（V₂）的例子

現在，當這兩個訊號（V_S和V_C）施加時，陽極上的電壓將為

$$V_P = V_S + V_C$$

由於這是關於傳輸週期，因此僅將V₁視為V_C。

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

因此，輸出將為5 V。下圖說明了這一點。

情況3

讓我們舉一個V_S = 10V且V_C = 0v（V₁）至-20v（V₂）的例子

現在，當這兩個訊號（V_S和V_C）施加時，陽極上的電壓將為

$$V_P = V_S + V_C$$

由於這是關於傳輸週期，因此僅將V₁視為V_C。

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

因此，輸出將為10 V。下圖說明了這一點。

情況4

讓我們舉一個V_S = 10V且V_C = 5v（V₁）至-20v（V₂）的例子

現在，當這兩個訊號（V_S和V_C）施加時，陽極上的電壓將為

$$V_P = V_S + V_C$$

由於這是關於傳輸週期，因此僅將V₁視為V_C。

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

因此，輸出將為15 V。

輸出電壓受施加的控制電壓的影響。此電壓與輸入電壓相加以產生輸出。因此它會影響輸出。

下圖顯示了這兩個訊號的疊加。

我們可以觀察到，在僅施加門電壓期間，輸出將為5v。當兩個訊號都施加時，V_P顯示為V_O。在非傳輸週期內，輸出為0v。

如上圖所示，儘管（當V_S = 0）未施加輸入訊號，但在傳輸週期和非傳輸週期期間輸出訊號的差異稱為**基座**。此基座可以是正的或負的。在此示例中，我們在輸出端獲得正基座。

RC對控制電壓的影響

如果在控制電壓達到穩態之前施加輸入訊號，則輸出會發生一些失真。

只有當控制訊號為0v時施加輸入訊號，我們才能獲得正確的輸出。此0v是穩定值。如果在此之前施加輸入訊號，則會發生失真。

A處控制電壓的緩慢上升是由於存在的RC電路造成的。RC產生的時間常數會影響此波形的形狀。

單向取樣門的優缺點

讓我們看一下單向取樣門的優點和缺點。

優點

• 電路簡單。

• 輸入和輸出之間的時間延遲非常低。

• 它可以擴充套件到更多數量的輸入。

• 在非傳輸週期內不消耗電流。因此，在靜態條件下，不存在功耗。

缺點

• 控制訊號和輸入訊號（V_C和V_S）之間存在相互作用

• 隨著輸入數量的增加，控制輸入上的負載增加。

• 輸出對控制輸入電壓V₁（V_C的上限）敏感

• 在同一時刻只能施加一個輸入。

• 由於控制訊號的上升時間較慢，如果在達到穩態之前施加輸入訊號，則輸出可能會發生失真。

具有更多輸入的單向取樣門

我們到目前為止討論的單向取樣閘電路只有一個輸入。在本節中，讓我們討論一些可以處理多個輸入訊號的單向取樣閘電路。

單向取樣閘電路由相同值的電容和電阻組成。這裡考慮了一個有兩個輸入的雙輸入單向二極體取樣門。在這個電路中，我們有兩個相同值的電容和兩個電阻。它們分別與兩個二極體相連線。

控制訊號施加在電阻上。輸出從負載電阻上取。下圖顯示了具有多個輸入訊號的單向二極體取樣門的電路圖。

當給出控制輸入時，

在 V_C = V₁（即傳輸期間），兩個二極體 D₁ 和 D₂ 均為正向偏置。現在，輸出將是所有三個輸入的總和。

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

對於 V₁ = 0v（這是理想值），

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

這裡有一個主要的限制，即在傳輸期間的任何時刻，只能施加一個輸入。這是該電路的一個缺點。

在非傳輸期間，

$$V_C = V_2$$

兩個二極體都將處於反向偏置狀態，這意味著開路。

這使得輸出

$$V_O = 0V$$

該電路的主要缺點是，隨著輸入數量的增加，**電路的負載**也會增加。可以透過另一個電路避免此限制，在該電路中，控制輸入是在輸入訊號二極體之後給出的。

基座降低

在瀏覽不同型別的取樣門及其產生的輸出時，我們在輸出波形中遇到了一種額外的電壓電平，稱為**基座**。這是不需要的，並且會產生一些噪聲。

閘電路中基座的降低

雖然沒有施加輸入訊號，但傳輸期間和非傳輸期間輸出訊號的差異稱為**基座**。它可以是正基座或負基座。

因此，這是由於門控電壓而觀察到的輸出，儘管輸入訊號不存在。這是不需要的，必須降低。下面的電路旨在降低閘電路中的基座。

當施加控制訊號時，在傳輸期間，即在 V₁ 時，Q₁ 導通，Q₂ 關閉，並且 V_CC 透過 R_C 施加到 Q₁。而在非傳輸期間，即在 V₂ 時，Q₂ 導通，Q₁ 關閉，並且 V_CC 透過 R_C 施加到 Q₂。基極電壓 –V_BB1 和 –V_BB2 以及門訊號的幅度進行調整，以使兩個電晶體電流相同，從而使靜態輸出電壓電平保持恆定。

如果門脈衝電壓比電晶體的 V_BE 大得多，則每個電晶體在不導通時都遠低於截止狀態。因此，當門電壓出現時，Q₂ 將被驅動到截止狀態，然後 Q₁ 開始導通，而在門的末端，Q₁ 將被驅動到截止狀態，然後 Q₂ 開始導通。

下圖以更好的方式解釋了這一點。

因此，門訊號如上圖所示出現。門控訊號電壓將疊加在這個波形上。如果門波形的上升時間比門持續時間小得多，則這些尖峰的值將可以忽略不計。

該電路有一些**缺點**，例如

• 確定的上升和下降時間會導致尖銳的尖峰

• 透過 RC 的連續電流會散發大量熱量

• 兩個偏置電壓和兩個控制訊號源（互補）使電路變得複雜。

除了這些缺點外，該電路在降低閘電路中的基座方面很有用。

雙向取樣門

雙向門與單向門不同，它可以傳輸正負極性的訊號。這些門可以使用電晶體或二極體構建。在不同的電路型別中，讓我們來看一個由電晶體組成的電路和另一個由二極體組成的電路。

使用電晶體的雙向取樣門

基本的雙向取樣門由一個電晶體和三個電阻組成。輸入訊號電壓 V_S 和控制輸入電壓 V_C 透過求和電阻施加到電晶體的基極。下圖給出了使用電晶體的雙向取樣門的電路圖。

此處施加的控制輸入 V_C 是一個具有兩個電平 V₁ 和 V₂ 以及脈衝寬度 t_p 的脈衝波形。此脈衝寬度決定了所需的傳輸間隔。門控訊號允許輸入被傳輸。當門控訊號處於其較低電平 V₂ 時，電晶體進入有源區域。因此，只要門控輸入保持在其較高電平，出現在電晶體基極的任何極性的訊號都將被取樣並在輸出端放大。

四二極體雙向取樣門

雙向取樣閘電路也可以使用二極體構建。雙二極體雙向取樣門是該模型中的基本門。但它有一些缺點，例如

• 增益低
• 對控制電壓的不平衡敏感
• V_{n (min)} 可能過大
• 存在二極體電容洩漏

開發了四二極體雙向取樣門，改進了這些特性。透過增加兩個二極體和兩個平衡電壓 +v 或 –v 來改進雙向取樣閘電路，以構建如圖所示的四二極體雙向取樣閘電路。

控制電壓 V_C 和 –V_C 分別反向偏置二極體 D₃ 和 D₄。電壓 +v 和 –v 分別正向偏置二極體 D₁ 和 D₂。訊號源透過電阻 R₂ 和導通的二極體 D₁ 和 D₂ 耦合到負載。由於二極體 D₃ 和 D₄ 處於反向偏置狀態，因此它們是開路的，並且將控制訊號與門斷開。因此，控制訊號的不平衡不會影響輸出。

當施加的控制電壓為 V_n 和 –V_n 時，二極體 D₃ 和 D₄ 導通。點 P₂ 和 P₁ 被鉗位到這些電壓，這使得二極體 D₁ 和 D₂ 反向偏置。現在，輸出為零。

在傳輸期間，二極體 D₃ 和 D₄ 關閉。電路的增益 A 由下式給出

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

因此，控制電壓的應用選擇可以啟用或停用傳輸。根據門控輸入傳輸任何極性的訊號。

取樣門的應用

取樣閘電路有很多應用。最常見的有：

• 取樣示波器
• 多路複用器
• 取樣保持電路
• 數模轉換器
• 斬波穩定放大器

在取樣閘電路的應用中，取樣示波器電路很普遍。讓我們嘗試瞭解一下采樣示波器的框圖。

取樣示波器

在取樣示波器中，顯示屏由輸入波形的樣本序列組成。每個樣本都按時間依次獲取，相對於波形中的某個參考點延遲。這是取樣示波器的執行原理，如下面的框圖所示。

**斜坡發生器**和**階梯發生器**根據施加的觸發輸入生成波形。**比較器**比較這兩個訊號並生成輸出，然後將其作為控制訊號提供給取樣閘電路。

當控制輸入為高電平時，**取樣門**的輸入被傳遞到輸出，而當控制輸入為低電平時，輸入不被傳輸。

在獲取樣本時，它們是在時間間隔內選擇的，這些時間間隔按相等的增量依次延遲。樣本由一個脈衝組成，其持續時間等於取樣門控制的持續時間，其幅度由取樣時間的輸入訊號的大小決定。然後產生的脈衝寬度將很低。

就像在脈衝調製中一樣，訊號必須進行取樣和保持。但由於脈衝寬度很低，因此它由放大器電路放大以進行**拉伸**，然後提供給二極體-電容組合電路以**保持**訊號，以填充下一個樣本的間隔。該電路的輸出提供給取樣示波器的**垂直偏轉板**，掃描電路的輸出提供給取樣示波器的**水平偏轉板**以顯示輸出波形。