книги / Справочник по микроэлектронной импульсной технике

При Rlt R2 > # ВЬ1Х > rD амплитуда Um — £ вых £ , а расчетные соотношения (9.9) и (9.10) преобразуются к виду

где у = и„/Е'шх.

Минимальные сопротивления времязадающих резисторов R1 и R2 ограничены мак­ симально допустимым выходным током микросхем типа КМОП / вых тах

и условием работы мультивибратора

Рис. 9.7

При типовых значениях параметров цифровых микросхем типа КМОП из выражения (9.12) и (9.13) следует, что R > (11... 15) кОм. Например, для ИЛЭ типа КМОП серия 164 (см. табл. 9.1) # > 1 3 ,3 кОм. Максимальное напряжение на входах микросхем

Етах = 2£ вых — Uu *=* 11 В, что не превышает допустимого значения данного парамет­ ра для таких ИЛЭ (см. (7ВХтах в табл. 9.1).

Если мультивибратор с перезарядом конденсатора ВЗЦ необходимо выполнить на ИЛЭ ИЛИ—НЕ типа КМОП, то следует воспользоваться принципиальной схемой, по­ казанной на рис. 9.7, а, где #5-триггер с прямыми входами (на элементах DDJ.3 в DD1.4) преобразован в #5-триггер с инверсными входами с помощью инверторов DDLt и DD1.2. Для повышения стабильности длительности выходных импульсов в такие муль­ тивибраторы целесообразно вводить дополнительное зарядное напряжение отрицательной полярности (рис. 9.7, а). В этом случае расчетные соотношения (9.11) для длительностей импульсов преобразуются к виду

?нх «== R\C In [(2 — у + т)Ку + т)}\ ttt2да R2C In [(2 — у + т)/(у + т)], (9.14)

где т = Е3/Е'вых.

Востальном принцип работы и характеристики мультивибраторов на ИЛЭ ИЛИ—НЕ

иИ—НЕ совпадают.

На рис. 9.7, б показана принципиальная схема мультивибратора на ИЛЭ ИЛИ—НЕ с автоуправляемым смещением для устранения жесткого режима возбуждения, возника­ ющего при некоторых значениях сопротивлений времязадающих резисторов R1 и R2. Для этого резисторы подключают к выходу дополнительного ИЛЭ ИЛИ—НЕ DDLS, входы которого соединены с выходами мультивибратора. Если при включении источника питания микросхем на обоих входах #S-Tpnrref>a в мультивибраторе без автосмещения одновременно будут действовать нулевые сигналы (что возможно при малых сопротивле­ ниях R1 и R2), на обоих выходах мультивибратора установятся напряжения с нулевыми уровнями. Вывести мультивибратор из этого состояния можно лишь внешним воздейст­ вием. Наличие двух нулевых сигналов на входах мультивибратора с автосмещением при­ водит к увеличению выходного напряжения ИЛЭ DDL5 и, следовательно, входных на­ пряжений триггера до тех пор, пока последний не установится в одно из квазиустойчивых состояний. После этого в генераторе начнется процесс перезаряда конденсатора С в прямом или обратном направлении.

Применяя автоуправляемое смещение, аналогично устраняют жесткий режим воз­ буждения мультивибратора на ИЛЭ И—НЕ (рис. 9.6, а). Такой же результат можно полу­

221

чить, подключив резисторы R1 и R2 к выходам соответствующих логических элементов (рис. 9.7, в). Тогда ИЛЭ DD1.1 и DD1 2 окажутся охваченными отрицательными обратны­ ми связями по напряжению. При появлении на входах /^S-триггера с инверсными входами запрещенного сочетания входных сигналов (два нулевых уровня входных напряжениГ) выходные напряжения ивых1 и ивых2 начнут возрастать до тех пор, пока рабочие точки

не выйдут на динамический участок передаточных характеристик ИЛЭ типа КМОП. После этого триггер перейдет в одно из устойчивых состояний и в мультивибраторе нач­ нутся поочередные процессы перезаряда конденсатора в прямом и обратном направле­ ниях и последующие переключения триггера.

В мультивибраторе на ИЛЭ типа МОП с перезарядом конденсатора конденсатор сле­ дует перезаряжать относительно нулевого уровня выходного напряжения ИЛЭ (ВЗЦ вида 4 в табл. 3.5).

Принципиальная схема мультивибратора с перезарядом конденсатора С на ИЛЭ И—НЕ типа МОП DD1.1 и DD1.2, включенных по схеме ^ S -триггера с прямыми входа­

ми, изображена на рис. 9.8, а. Диоды VD1 и VD2 обеспечивают перезаряд конденсатора через времязадающие резисторы R1 или R2 и выход ИЛЭ, находящегося в нулевом со­ стоянии. Временные диаграммы напряжений, построенные в предположении R =

=ч ОО, / вх = О, I £^ых I > U£>» Я*, я* > Явых* показаны на рис. 9.8, б.

Работу мультивибратора рассмотрим с момента времени, когда на выходе ИЛЭ DD1.I установился уровень напряжения, соответствующий логической единице, а на выходе ИЛЭ DDJ.2 — логическому нулю (t = tt на рис. 9.8, б). При t > ti конденсатор С переза­ ряжается с постоянной времени через времязадающий резистор R1, диод VD1 и выход логического элемента DDL1 в соответствии с эквивалентной схемой на рис. 9.8, в. Вход­ ное напряжение ИЛЭ DD1.1 при этом возрастает по экспоненциальному закону с посто­ янной времени тх от Ет in, стремясь к нулю,

где £ min — минимальное входное напряжение, образующееся на входе логических эле­

ментов мультивибратора в результате предыдущего переключения триггера. Как следу­ ет из эквивалентной схемы,

ключения /^S-триггера (/ = t2 на рис. 9.8, б). Приняв в выражении (9.15) / = /н1> двх1

222

При t > t2 в мультивибраторе происходит процесс перезаряда конденсатора С в обрат­ ном направлении с постоянной времени т2. Ввиду идентичности цепей перезаряда конден­

мальным выходным напряжением нагруженного ИЛЭ типа МОП 1/®ых т1п и определя­

Рис. 9.9

Мультивибратор с перезарядом конденсатора на ИЛЭ ИЛИ—НЕ типа МОП выпол­ няется на четырех логических элементах, включенных по схеме ^ S -триггера с прямыми входами (рис. 9.9, а). Принцип работы, временные диаграммы напряжений и расчетные соотношения такого мультивибратора аналогичны мультивибратору на ИЛЭ И—НЕ (рис. 9.8, а).

f Г'4 Рассмотренные мультивибраторы имеют жесткий режим возбуждения, когда по какой-либо причине при включении источника питания микросхем на входах /^-триг­ геров оказываются запрещенные сочетания входных сигналов.

Этот недостаток устраняется введением отрицательных обратных связей по напряже­ нию, как, например, в мультивибраторе на ИЛЭ И—НЕ (рис. 9.9, б), применением схе­ мы автоуправляемого смещения, как, например, в мультивибраторе на ИЛЭ ИЛИ—НЕ

4. ЗАТОРМ ОЖЕННЫЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ НА ИЛЭ ТИПОВ КМОП И МОП

Заторможенные мультивибраторы на ИЛЭ типа КМОП. Согласно данным табл. 3.5 относительные нестабильности и эффективности генераторов на ИЛЭ типа КМОП с ре- висторно-емкостными обратными связями для автоколебательного и заторможенного режимов одинаковы. Поэтому заторможенный мультивибратор получают из аналогично­ го автоколебательного мультивибратора (см. рис. 9.2, а), заменяя одну из RC-ueneи це­ пью запуска. Для этого одну из резисторно-емкостных обратных ^ связей заменяют непосредственной (триггерной) связью с выхода ИЛЭ DDL1 на первый вход ИЛЭ DDI.2, на второй вход которого подают запускающие импульсы положительной полярности

223

(рис. 9.10, а). Временные диаграммы напряжений такого мультивибратора (без учета UD) показаны на рис. 9.10, б.

Принцип работы мультивибратора заключается в следующем. При поступлении за­ пускающего импульса положительной полярности с амплитудой Un < Um вх < (/BXmax

(обычно Um вх ^ £ вых) и Длительностью tHвх ИЛЭ DD1.1 и DDI.2 изменяют состояния

на противоположные: логический элемент DD1.1 устанавливается в единичное, a DD1.2 — в нулевое состояния (/ = ti на рис. 9.10, б). Конденсатор С заряжается ^постоянной вре­ мени х через источник положительного напряжения Е, времязадающий резистор R и выход ИЛЭ DD1.2. Напряжение на входе ИЛЭ DD1.1 «вх1 при этом экспоненциально

возрастает от £ min, стремясь к Е (t > /х). Времязадающая RC-цепъ при таком включе­ нии — интегрирующая. Через время (и при ивх1 ^ Un под воздействием положительной

Vex ж = з г

обратной связи мультивибратор возвра­ щается в исходное состояние (t = t2). При t > t2 конденсатор С разряжается с постоянной времени тв через открытый диод VD, выход HJ13DD1.2 и источник Е, что определяет время восстановления ис­ ходного состояния (в в мультивибраторе.

Без учета падения напряжения на открытом диоде длительность выходного импульса мультивибратора согласно временным диаграммам напряжений на рис. 9.10, б определя­ ется выражением

Время восстановления исходного состояния в генераторе определяется емкостью конденсатора С и выходным сопротивлением /?вых ИЛЭ DD1.2. Так как разряд конден­ сатора С продолжается до тех пор, пока входное напряжение W13DD1.1, уменьшающееся

вибратора и определяется из выражений (9.2).

При генерировании импульсов с большими длительностями выполняются условия R ^ Я в и * .Кых * R> Ят!п» о, тогда расчетные соотношения (9.19) и (9.20) преобразу-

224

^ Т'вх ^В*

На рис. 9.10, в показана принципиальная схема заторможенного мультивибратора на ИЛЭ И—НЕ типа КМОП с двухпетлевой обратной связью и времязадающей /?С-цепью. Действие двух петель положительной обратной связи при регенеративном про­ цессе возвращения /^S-триггера на ИЛЭ DD1.2 и DD1.3 в исходное состояние в таком мультивибраторе способствует уменьшению длительностей фронтов выходного импульса и улучшению его формы. Работу мультивибратора иллюстрируют временные диаграммы

М/,

tf Ь Ь t

напряжений (рис. 9.10, б). Полярность входных запускающих импульсов в этом случае отрицательная.

Для построения заторможенного муль­ тивибратора с двухцетлевой обратной связью на ИЛЭ ИЛИ—НЕ в мультивиб­ раторе с перекрестной резисторно-емкост­

ной обратной связью (рис. 9.10, а) необходимо конденсатор С вынести за цепь триггер­ ного включения ИЛЭ DD1.1 и DD1.2.

Один из недостатков рассмотренных мультивибраторов — большой выходной ток ИЛЭ, определяемый выражением (9.3), что связано с необходимостью разряда конден­ сатора через открытый диод для уменьшения времени восстановления исходного состоя­ ния tB.

Свободны от такого недостатка схемы мультивибраторов с перезарядом конденсатора, которые, к тому же, обладают более высокой стабильностью длительности и эффектив­

ностью.

В соответствии с данными табл. 3.5 для обеспечения заторможенного режима работы генераторов на ИЛЭ типа КМОП необходимо использовать ВЗЦ с перезарядом конден­ сатора относительно единичного уровня выходного напряжения (ВЗЦ вида 5).

Принципиальная схема заторможенного мультивибратора на двухвходовых ИЛЭ И—НЕ типа КМОП с ВЗЦ указанного вида показана на рис. 9.11, а. В состав мульти­ вибратора входят два ИЛЭ DD1.1 и DD1.2, включенных по схеме /^S-триггера с инверс­ ными входами; времязадающие резистор R и конденсатор С; диод VD, обеспечивающий перезаряд конденсатора С через выход ИЛЭ DD1.{ и резистор R в прямом направлении и через выходы /^S-триггера и резистор R ' в обратном направлении. Дополнительный резистор R ' необходим для уменьшения скачка напряжения £ тах, образующегося на

входе ИЛЭ DD1.2 при поступлении запускающего импульса. На рис. 9.11, б изображены временные диаграммы напряжений мультивибратора, построенные при принятой на рис. 9 . 1 , б аппроксимации передаточной характеристики ИЛЭ типа КМОП.

Выходной импульс длительностью tu формируется за время перезаряда конденсатора С в прямом направлении. При этом после поступления запускающего импульса отрица­

225

КМОП с перезарядом конденсатора ВЗЦ (рис. 9.11, а) подключить не к общей шине, а к дополнительному источнику зарядного напряжения отрицательной полярности,* что снижает относительную нестабильность длительности выходных импульсов, Повышает эффективность генератора и открывает возможности электронной регулировки, то дли­

где у = tV « L x ! т = «з/^вых-

При построении заторможенного мультивибратора с перезарядом конденсатора ВЗЦ

226

тивибраторов (см. рис. 9.4, а), заменяя одну из ЯС-цепей цепью запуска, как это пока­ зано на рис. 9.13, ап б соответственно.

Принцип работы заторможенных мультивибраторов рассмотрим на примере второго мультивибратора (рис. 9.13, б). Воспользуемся временными диаграммами напряжении на рис. 9.13, в. При поступлении на вход генератора запускающего импульса длитель­

ностью tHвх и амплитудой £ вых ^ t/BX < £/„, Я5-триггер с прямыми входами на ИЛЭ И—НЕ DD1.1 и DD1.2 изменяет свое состояние на противоположное (t = /*). При * > к

ибых1

° Т -

Увып

По аналогии с формулами (9.4) и (9.6), для автоколебательных мультивибраторов с времязадающими ЯС-цепями длительность выходного импульса подобных заторможен­ ных мультивибраторов определяется выражениями

Время восстановления исходного состояния /в заторможенных мультивибраторов такое же, как и у подобных автоколебательных мультивибраторов, а минимальное со­ противление их времязадающего резистора R также ограничено минимальным выходным

напряжением нагруженного ИЛЭ типа МОП (/вых min < —7,5 В и определяется соот­

ношением (9.7).

В импульсных генераторах на ЦИМС типа МОП с пассивными ВЗЦ вследствие отри­ цательных полярностей входных и выходных напряжений нельзя применять ВЗЦ с пере­ зарядом конденсатора относительно единичного уровня выходного напряжения микро­ схем, обеспечивающую наибольшую стабильность формируемых временных интервалов и максимальную эффективность (ВЗЦ вида 5 в табл. 3.5 для микросхем типа МОП). Поэтому при построении заторможенных мультивибраторов на ИЛЭ типа МОП с переза­ рядом конденсатора ВЗЦ следует применять ВЗЦ с перезарядом конденсатора относи­ тельно нулевого уровня выходного напряжения ИЛЭ (ВЗЦ вида 4 в табл. 3.5), несколько уступающую по показателям ВЗЦ вида 5.

Принципиальная схема заторможенного мультивибратора на основе ИЛЭ, например И—НЕ типа МОП с ВЗЦ вида 4, изображена на рис. 9.14, а. Временные диаграммы на­

сатора С через выход ИЛЭ DD1.2 и времязадающий резистор /?. Времязадающее напря-

228

якание (входное напряжение aBXj ИЛЭ DD1.I) при этом экспоненциально возрастает от стремясь к нулю (t > tfj). Перезаряжается конденсатор С в обратном направлении

после возвращения триггера в исходное состояние через выходы ИЛЭ DD1.1, DD1.2 в открытый диод VD (t > t2) и определяет время восстановления исходного состоя­ ния /„•

В общем случае время восстановления исходного состояния в мультивибраторе оп­ ределяется в соответствии с эквивалентной схемой перезаряда конденсатора С в обрат* ном направлении (рис. 9.14, в)

Из сравнения выражений (9.5) и (9.33) для времен восстановления исходного состоя­ ния в заторможенных мультивибраторах с резисторно-емкостной обратной связью и с перезарядом конденсатора ВЗЦ следует, что для первого генератора (рис. 9.13, а) этот параметр несколько лучше (меньше).

Согласно временным диаграммам напряжений на рис. 9.14, б, длительность выход­

Если заторможенный мультивибратор с перезарядом конденсатора ВЗЦ необходимо выполнить на ИЛЭ ИЛИ—НЕ типа МОП, то следует воспользоваться принципиальной схемой, показанной на рис. 9.14, г. Число использованных ИЛЭ в этом случае несколько больше, чем ДЛЯ Подобного генератора на ИЛЭ И—НЕ (рис. 9.14, а). Временные диа­ граммы напряжений работы мультивибратора изображены на рис. 9.14, б. Для нормаль­ ной работы рассмотренных заторможенных мультивибраторов наобходим короткий запус­

229

кающий импульс. Для построения заторможенных генераторов на ИЛЭ типа МОП, за* пускаемых перепадом входного напряжения, необходимо использовать специальные циф­ ровые автоматы (JK- я D-триггеры). Например, на рис. 9.15, а показана принципиальная

/в формирователя определяются соотношениями (9.34) или (9.35) и (9.33) соответственно.

БОЛЬШ ОЙ СКВАЖНОСТИ НА ИЛЭ ТИПОВ КМОП И МОП

Отличительной особенностью заторможенных и автоколебательных мультивибрато­ ров на основе ИЛЭ на МОП-структурах является возможность получения больших дли­ тельностей генерируемых ими импульсов, ограниченных лишь габаритными размерами времязадающих элементов. Это достигается выбором больших сопротивлений время­ задающих резисторов. В то же время с помощью таких мультивибраторов трудно полу­ чать малые длительности, а значит, и большие скважности выходных импульсов, что ог­ раничено большими выходными сопротивлениями ИЛЭ типов КМОП и МОП (см. табл. 9.1).

Применяя суммарно-разностный метод (см. гл. 7), в генераторах на ИЛЭ типа МОП и КМОП можно формировать последовательности коротких импульсов с большими скваж­ ностями.

Для обеспечения высокой стабильности и большой удельной длительности генериру­ емых импульсов в ГИБС на ИЛЭ И—НЕ типа КМОП следует применять /?С-цепи с пере­ зарядом конденсатора (ВЗЦ вида 5 в табл. 3.5).

В состав ГИБС входят (рис. 9.16, а)\ автоколебательный мультивибратор на ИЛЭ DDJ.1 и DD1.2 с ВЗЦ вида 5 (/?/, R2, С/, VD1 и VD2), заторможенный мультивибратор на ИЛЭ DD1.3 и DD1.4 с ВЗЦ вида 5 (R3, C2t VD3) и схема совпадения (ИЛЭ DD1.5). Заторможенный мультивибратор запускается отрицательным импульсом с выхода авто­ колебательного мультивибратора (с выхода ИЛЭ DD1.1), Так как заторможенный муль­ тивибратор выполнен на основе /?5-триггера на ИЛЭ, то длительность его выходного импульса должна быть больше длительности запускающего импульса. В противном случае заторможенный мультивибратор необходимо выполнять на основе специального цифрового автомата на ИЛЭ (см. гл. 7.6). Выходное напряжение ГИБС формируется на выходе ИЛЭ DDLS, на входы которого подаются импульсные последовательности с вы­ хода автоколебательного (с выхода ИЛЭ DDLJ) и заторможенного (с выхода ИЛЭ DD1.S) мультивибраторов.

230