книги / Применение аналоговых микросхем

Наиболее простыми и благодаря этому наиболее распростра­ ненными являются мостовые двухпороговые компараторы (табл. 3.4,а). Диодный мост включен в цепь ОС ОУ, a изменение иВых происходит, как только входной ток / 1 превысит или станет меньше тока / 2, отдаваемого в мост цепью смещения, подключен­ ной к £/„+. При изменении 1/вых переключаются диоды и, следова­ тельно, коэффициент передачи по цепи ОС. Точность уровней ди­ скриминации и минимальная ширина окна ограничиваются десят­ ками милливольт из-за разброса падений напряжений на открытых диодах. Схема имеет температурный дрейф уровней дискримина­ ции порядка единиц милливольт на 1 °С.

Если точность двухпорогового компаратора может быть хуже 10 мВ, а рабочая частота должна быть не менее 10 МГц, целесо­ образно воспользоваться сдвоенным компаратором К521СА1 (табл. 3.4,6). Середина и ширина окна дискриминации регулиру­ ются соответственно напряжениями 1)0„ и 1)ш. Допустимые вход­ ные дифференциальные и синфазные напряжения компаратора равны 5 В. Однако значения UBX, U0B и Um могут быть увеличены для компенсации действия резисторных делителей, образованных RI, R2 и уменьшающих фактическое значение напряжений, прило­ женных ко входам К521СА1:

V'on= U M R i + Я,). U'„ = U M R , + /?,). U'„ = U M R J+ Я0-

Выравнивая сопротивления резисторов во входных цепях компа­ ратора, уменьшают ошибку, обусловленную его входными токами.

Специальный интерес представляет показанная в табл. 3.4 схе­ ма в двухпорогового компаратора на одном ОУ или полупровод­ никовом компараторе. Ширина окна дискриминации в этом компа­ раторе может изменяться независимо от пороговых напряжений регулировкой соотношений сопротивлений резисторов. Основными элементами схемы являются стабилитрон, выполняющий функцию источника опорного напряжения, и компаратор. При расчете ком­ паратора пренебрежем действием его входных токов и предполо­ жим равными напряжения ил диодов VD1, VD2. Когда входное напряжение UBX^ U Ct+2U, то Ui=UBX—Ua. В то же время, когда £/Bx > t/2+ 2 t/fl, то Ui = UCT-\-Ua. Стабилитрон VD3 будет закрыт, пока напряжение на входе UBX^ U CT- Когда t/BX>£/«•, то Ù2 = = (UcTR2-}-UBXRi)/(Rt+R2). В исходном состоянии при UBX< U ст

установлен низкий уровень напряжения на выходе компаратора. При увеличении UBX, когда UBX=UCT-\-UB,(1+RI/R2), устанавлива­

ется высокий уровень напряжения на выходе компаратора, а за­ тем при UBX— UC4-\-UA(\-\-R2IR ) напряжение на его выходе дости­

гает своего исходного значения. Таким образом, ширина окна ди­ скриминации будет равна UA(R22—RI2)!R R2. Недостатком этой схемы является возможность третьего переключения выходного напряжения компаратора при большом отношении Rz/Rs. Третье

выражение для / оых упрощается и может быть записано в виде /ВЬ1Х=

и А при и А > и Б ,

^вых

UА + UB 7 UA *1 = UB ПРИ и * > иА- *<1

Усилитель А2} выполняющий роль повторителя, может быть ис­ ключен, если не требуется согласование устройства с низкоомной нагрузкой. В качестве Л/, А2 целесообразно использовать сдвоен­ ный ОУ К140УД20.

ТАЙМЕРЫ

Полупроводниковые таймеры обеспечили воз­ можность построения микроэлектронных формирователей точных интервалов времени длительностью от микросекунд до месяцев. Выпускаемые в настоящее время таймеры делятся на два класса: однотактные и многотактные. В современной микроэлектронной аппаратуре наибольшее распространение получил однотактный таймер типа NE555. Среди многотактных таймеров самым удач­ ным по структуре, универсальности и массовости использования стал программируемый таймер XR2240. Несмотря на то, что в со­ временном семействе таймеров насчитывается более 10 наимено­ ваний микросхем, наиболее широко используются названные вы­ ше NE555 и XR2240, а также NE556 (сдвоенный таймер) и его модификация LM322.

Создание таймеров вызвано тенденцией повышения степени ин­ теграции реализуемых функций на кристалле кремния, которая превалирует в современных аналоговых и аналого-цифровых мик­ росхемах. По функциональному составу всех внутренних узлов и способу выполнения данной функции таймеры не являются пол­ ностью аналоговыми или цифровыми микросхемами. Современные таймеры наряду с компараторами напряжения, которые относят к аналоговым микросхемам, содержат узлы, выполняющие функ­ ции цифровых устройств —логические элементы, триггеры, счетчи­ ки и др. Компараторы в таймерах обеспечивают повышение чув­ ствительности цифровых структур от единиц вольт до долей мил­ ливольта к изменениям входных напряжений. Таким образом, ос­ новные функции в таймерах выполняют цифровые узлы, точность же формирования интервала времени определяется в первую оче­ редь компараторами напряжения. Поэтому полупроводниковые таймеры чаще относят не к цифровым, а к аналоговым микро­ схемам.

Массовое применение таймеров в аппаратуре, разнообразие ре­ шаемых ими задач и, следовательно, многообразие требований, предъявляемых к их параметрам в зависимости от типа аппара­ туры и качества выполняемых функций обусловило создание се­ мейства полупроводниковых таймеров (приложение 4). Одиотактные таймеры применяют, если длительность формируемых времен­ ных интервалов лежит в пределах 1 мкс... 1 ч. Многотактные прог­ раммируемые и специализированные таймеры разработаны для аппаратуры, требующей использования генераторов сигналов сверхнизкой частоты с продолжительностью импульсов до не­ скольких суток.

его выводов и требования к выбору параметров времязадающих элементов. Напряжение питания Ùп, подаваемое на вывод 8 и из­ меряемое относительно вывода 1, равно 5... 16,5 В. Приращение потребляемого таймером тока на 1 В изменения Un равно 0,7 мА (см. табл. П4.1). Таймер способен отдать в нагрузку или принять из нее ток 200 мА, что позволяет управлять непосредственно даже небольшими электромагнитными реле. Выходное сопротивление около 10 Ом как для низкого (t/°«0,1 В), так и для высокого (Ulæ U n—0,5 В) уровня выходного напряжения. Запуск таймера осуществляется подачей на вывод 2 напряжения менее С/п/3 (эту цепь обычно называют триггерным входом). По отношению к вы­ ходу этот вход является инвертирующим. Зависимость минималь­ ной длительности tHзапускающего импульса от низкого уровня его напряжения U0 показана в табл. П4.1. При высоком напряжении на выводе 2 состоянием выхода таймера можно управлять с по­ мощью компаратора Al по выводу б, называемому обычно порого­ вым входом (см. рис. 4.1,а). Относительно изменений выходного напряжения этот вывод является неинвертирующим входом тай­ мера. Входной ток, втекающий для компаратора Al (вывод 6) и вытекающий для компаратора А2 (вывод 2), не превышает 0,5 мкА. Для сброса таймера, т. е. для установления на его выхо­ де напряжения низкого уровня, независимо от напряжения на выводах 2 и б, используется вывод 4. Если напряжение на этом выводе i/42^0,4 В, напряжение на выходе будет 0,1 0,2 В. При напряжении U ^ l В цепь сброса выключена и не влияет на рабо­ ту таймера.

Кроме низкоомного выхода (вывод 3) таймер имеет и вспомо­ гательный высокоомный выход (вывод 7), представляющий собой

жения на выводах 2, 4, 6 и 7 лежит в пределах 0... 16,5 В. В тай­ мере имеется доступ через вывод 5 к входам внутренних компара­ торов, на которые поданы пороговые напряжения. Этот вывод от резисторного делителя позволяет дополнительно управлять рабо­ той таймера, изменяя пороговые напряжения компараторов при постоянном напряжении питания. Чтобы избежать влияния внеш­ них помех и пульсаций напряжения питания на точность работы таймера, рекомендуется шунтировать вывод 5 конденсатором ем­ костью около 0,01 мкФ.

В режиме прямой трансляции сигнала со входа на выход тай­ мер может работать в диапазоне частот до 10 МГц. Однако при­ водимое в справочных данных значение погрешности формирова­ ния временного интервала (см. табл. П4.1), равное 0,5%, измеря­ ется обычно при формировании импульсов длительностью более 10 мкс. Время нарастания выходного напряжения таймера не пре­ вышает 100 нс.

Временные параметры этого одиотактного таймера слабо за­ висят от изменений Un и температуры и полностью определяются схемотехникой внутренних компараторов и качеством биполярной технологии. В таймерах, изготовленных по КМОП-технологии, от­ личающейся худшим согласованием параметров парных транзи­ сторов, зависимость характеристик от Ûn и температуры значи­ тельно выше, чем у таймеров, изготовленных по биполярной техно­ логии.

Особенности применения NE555 связаны с неидеальностью его параметров и схемотехникой узлов. Чтобы параметры времязадающей цепи R t C t не влияли на точность формирования временных интервалов, необходимо ограничить диапазон изменения сопротив­ ления Rt и емкости С*. Максимальное сопротивление Rt определя­ ется входным током /вх компараторов, протекающим по цепям выводов 2 и б. Для формирования устойчивых временных интер­ валов достаточно выбрать максимальное сопротивление R t из ус­ ловия R t m ax<CUniJах* Значение R t m a x ^ 2 0 МОм при U n= 10 В и /вх«0,5 мкА. При включении таймера по схеме мультивибратора, когда выводы 2 и 6 объединены, входные токи, втекающие по цепи вывода 6 и вытекающие по цепи вывода 2Умогут взаимокомпенсироваться, и таймер может сохранить работоспособность при R t" > > R t max. В режиме же одновибратора при R t æ 20 МОм отдельные типы таймеров не будут выполнять требуемую функцию. Поэтому не рекомендуется использовать времязадающие резисторы с /?*> > 1 0 МОм.

Минимальное сопротивление Rt определяется максимально до­ пустимым током, протекающим через внутренний транзистор VT1

в сочетании с большими емкостями С*. Объясняется это тем, что при разряде конденсаторов С* большой емкости транзистор VT1 не мгновенно переходит в режим насыщения, а через некоторое

тор— эмиттер около L/n/2. Если Rtmш выбрано из условия Rt sgt/n/lOO мА, то транзистор VT1 может выйти из строя из-за чрез­ мерно большой рассеиваемой в нем мощности. Поэтому рекомен­ дуется при формировании малых временных интервалов ограни­ читься Rt min=l кОм и выбрать, исходя из этого, емкость С*. Ес­ ли же таймер применяется в схеме, где 100 пФ, то сопротивле­ ние Rt может быть уменьшено до 150 Ом, что для аппаратуры спе­ циального назначения должно подтверждаться соответствующими техническими условиями.

Минимальная емкость времязадающего конденсатора Ct долж­ на быть значительно больше изменений собственной входной ем­ кости таймера в зависимости от напряжения на выводах J?, 6, 7.

Поскольку изменение входной емкости при перезаряде Ct не пре­ вышает нескольких пикофарад, не рекомендуется использовать С*<100 пФ при формировании точных временных интервалов. Можно применять конденсаторы Ct сколь угодно большой емко­ сти, если их ток утечки пренебрежимо мал. Фактически же чем выше емкость конденсатора, тем больше его ток утечки. Для нор­ мальной работы таймера необходимо, чтобы ток утечки через Ct был меньше зарядного тока через Rt. Для формирования точных (Д»1% ) временных интервалов ток утечки через Ct должен быть более чем на два порядка меньше зарядного тока.

Выходной инвертирующий усилитель таймера (рис. 4.1,а) ра­ ботает в режиме АБ, вследствие чего на переходной характеристи­ ке возникает «полка» длительностью 10...20 нс при напряжении 1,5 В, Если таймер нагружен на быстродействующие ТТЛ-схемы (например, серии 130 или 533), то наличие такой «полки» недопу­ стимо, так как она находится в их пороговой области и может вызвать ложное срабатывание. Чтобы выровнять линию переход­ ного процесса, необходимо выход таймера зашунтировать конден­ сатором емкостью около 100 пФ.

4.1.1. РАБОТА ТАЙМЕРА В РЕЖИМЕ ОДНОВИБРАТОРА

Применение таймеров в одновибраторах позволило решить од­ ну из наиболее распространенных задач цифровой аппаратуры — формирование одиночного управляющего сигнала с произвольны­ ми временными характеристиками, устанавливаемыми внешней RC-цепью.

Схема одновибратора на однотактном таймере М1006ВИ1 при­ ведена на рис. 4.2,а. Работает такой одновибратор следующим об­ разом. При положительном входном напряжении, большем UJ3, триггер таймера удерживает внутренний транзистор VT1 насы­ щенным (см. рис. 4.1,а), и напряжение на времязадающем конден­ саторе Ct близко к нулю. Поэтому и выходное напряжение близко к нулю: 1/3« 0,1 В. При подаче на триггерный вход (вывод 2) на­ пряжения меньше /У„/3 компаратор Al в таймере переключает RS-триггер, транзистор VT1 закрывается, напряжение на Ct экс­ поненциально нарастает, стремясь к своему максимальному зна­ чению, равному Uп (рис. 4.2,6), а на выходе устанавливается на­ пряжение UzæUn. Скорость нарастания напряжения Uc на время­ задающем конденсаторе Ct определяется постоянной времени RtCt-цепи. Значение Uz&Un сохраняется в течение времени увели­ чения и с до 21/„/3. В момент, когда выполняется равенство Uc(t) =2U п/3, в таймере переключается в исходное состояние RSтриггер, транзистор VTJ насыщается, разряжая конденсатор Си и Us становится равным 0,1 В. Низкий уровень выходного напря­ жения таймера сохраняется до тех пор, пока на триггерный вход

Рис. 4.2. Одновибратор на однотактном таймере (а) и временные диаграммы его работы (б)

вновь не поступит импульс, изменяющий напряжение на выводе 2 от Un до UJ3.

Одновибратор на рис. 4.2,а запускается срезом положительного импульса амплитудой Un. Однако, если спад импульса поступит на триггерный вход таймера в период увеличения Uc от 0 до 2Unl3, таймер на этот спад не отреагирует. В то же время конденсатор Ct будет мгновенно (за время менее 50 нс) разряжен независимо от величины Uc, если подать напряжение менее 0,4 В в цепь сбро­ са таймера (вывод 4). Эта цепь не влияет на работу одиовибратора, если напряжение на выводе 4 больше 1 В. Когда цепь сброса не используется для управления работой одновибратор а, то для уменьшения влияния внешних помех вывод 4 следует подключать к шине питания.

Время задержки t3, в течение которого на выходе таймера со­ храняется высокий уровень напряжения U„, можно рассчитать из уравнения i/e(0 = t/n[l—ехр(—t/RtCt)]=2U„/3, предполагая, что t/c= 0 при насыщенном транзисторе VT1. Это время t3= l,lR tC t. Зависимости, позволяющие при заданном t3 определить возмож­ ные сочетания сопротивления Rt и емкости Си приведены на

них компараторов таймера пропорциональны £/„- При расчете Я<С<-цепи одновибратора следует учитывать, что

низкий уровень напряжения запуска не должен сохраняться доль­ ше времени l,l/?tCt. Нарушение этого условия приводит к тому, что по истечении времени t3 таймер начинает генерировать импуль­ сы произвольной формы. Это объясняется тем, что внутренние компараторы таймера не равносильны по своему воздействию на ^S -триггер. Компаратор А1, управляемый по выводу 2, обладает приоритетом при установлении состояния триггера. Компаратор А2 может управлять триггером только тогда, когда на вывод 2 подано высокое напряжение. Если необходимо управлять одновибратором с помощью импульсов длительностью Tn>l,lRtCt, то эти импульсы следует подавать через дифференцирующую ÆiCi-цепь и Вх2 (рис. 4.2,а). Диод VD ограничивает амплитуду напряжения на выводе 2 на уровне Un-\-UA.

Для формирования длительных временных интервалов при ра­ боте одновибратора в аппаратуре с высоким уровнем помех не­ обходимо шунтировать вывод 5 конденсатором (если этот вывод не используется для управления работой таймера). Емкость шун­ тирующего конденсатора Сш«0,01 мкФ. Нецелесообразно уста­ навливать шунтирующие конденсаторы емкостью более 0,1 мкФ,