книги / Справочник по микроэлектронной импульсной технике

В соответствии с временными диаграммами напряжений работы ГИБС (рис. 9.16, 6 } Параметры его выходных импульсов определяются выражениями

и /и2 импульсов мультивибратора на ИЛЭ типа КМОП с перезарядом конденсатора ВЗЦ

Для определения длительности интерва­ ла / 13 = t4Q и времени восстановления исход­ ного состояния /в в ГИБС воспользуемся формулами для выходных параметров затор­ моженного мультивибратора на ИЛЭ типа КМОП с перезарядом конденсатора ВЗЦ. Тогда, по аналогии с соотношением (9.29) при

#я ^ /?дЫХ и с выражениями (9.25), (9.26) при

Яз > Я ;ых. находим

231

соответствии с расчетными соотношениями (9.36), (9.37) — (9.40) определяются выраже­

где у ^п/^вых#

При типовых значениях Un и £ 1ВЬ1Хдля ИЛЭ типа КМОП (см. табл. 9.1) у = 0,625,

тогда из выражений (9.41) следует: /и *=* 0,37RC\ Т ^ 1,67?С; Q ^ 4.

Минимальная длительность tn и максимальная скважность О ГИБС ограничены быстродействием ИЛЭ DD1.5 и нестабильностью длительностей временных интервалов

12 Аналогично выполняется ГИБС и на ИЛЭ ИЛИ—НЕ типа МОП с перезарядом кон­ денсаторов ВЗЦ (рис. 9.17, а и б). ГИБС содержит автоколебательный мультивибратор на основе R 5-триггера с прямыми входами (ИЛЭ DD1.1, DD1.2, DD1.3, DD1.4) с ВЗЦ вида 4 (R2, R l, CU VD1, VD2) и схемой автоуправляемого смещения на ИЛЭ DDJ.5 для обеспечения мягкого режима возбуждения; заторможенный мультивибратор на

------- t

1 1 ^ 7

Г

=т=#

вибраторов (ИЛЭ DD2.5).

Согласно временным диаграммам напряжений, параметры выходных импульсов ГИБС на ИЛЭ типа МОП определяются аналогично параметрам ГИБС на ИЛЭ типа КМОП из соотношений (9.36). Длительности временных интервалов t\2= /,,5 и / 24 на­ ходятся подобно длительностям tщ и / Н2 выходных импульсов автоколебательного муль­ тивибратора на ИЛЭ типа МОП с перезарядом конденсатора ВЗЦ (см. рис. 9.9, а), для чего в выражении (9.17) необходимо принять С = Ср Для определения длительности вре­ менного интервала и времени восстановления исходного состояния /в следует в выражениях (9.31), (9.32) для длительности выходного импульса и (9.33) для времени восстановления исходного состояния заторможенного мультивибратора (см. рис. 9 . 1 1 , в) принять С = С2, R — Я3.

232

ГИБС на ИЛЭ типа МОП и КМОП могут применяться для формирования импульсных последовательностей с независимой регулировкой длительностей и периодов следованая. Для этого достаточно изменять длительность временного интервала fa = fa, формиру­

6 . МНОГОФАЗНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСОВ НА ИЛЭ ТИПОВ КМОП И МОП

При построении многофазных генераторов (МФГ) импульсов на ИЛЭ типа КМОП, как и однофазных мультивибраторов на таких элементах, следует применять ВЗЦ с пе­ резарядом конденсаторов относительно единичных уровней выходных напряжений ИЛЭ (ВЗЦ вида 5 в табл. 3.5). Например, в двухфазном генераторе импульсов на ИЛЭ И—НЕ типа КМОП с перезарядом конденсаторов ВЗЦ (рис. 9.18, а) ИЛЭ DD1.J, DD1.2, DD1.3 и DD1.4 включены по схемам /?5-триггеров с инверсными входами. Диоды VD1 и VD2, VD3 и VD4 обеспечивают перезаряд конденсаторов С1 и С2 через времязадающие резис­ торы R1 и R3, R2 и R4. Источники отрицательного зарядного напряжения (—£,) и (—Е2), (—Е3) и (—£ 4) вводятся для повышения стабильности частоты следования выход­ ных импульсов генератора и для обеспечения электронной регулировки его выходных параметров.

Работу генератора рассмотрим с помощью временных диаграмм напряжений (рис. 9.18, б) с момента времени, когда на выходе ИЛЭ DD1.1 первого триггера устано­ вился высокий уровень выходного напряжения (ивых1 при t = fa. При t > tf конденса­

тор Cl перезаряжается в прямом направлении относительно уровня £/вх через выход

С1 перезаряжается с постоянной времени х3 в обратном направлении, а под воздей­ ствием формируемого при этом времязадающего напряжения второй триггер возвраща­ ется в исходное состояние (авых2 при t = /4), после чего происходит перезаряд кон­

денсатора С2 в обратном направлении с постоянной времени т4 и последующее пере­

в прямом и обратном направлениях и последующЪго поочередного переключения второго и первого триггеров на выходах последних формируются две последовательности прямо­ угольных импульсов, сдвинутые во времени (по фазе) на время /Дф перезаряда одного из

конденсаторов (при выбранном на рис. 9.18, б начале отсчета — на время перезаряда конденсатора С1 в прямом направлении) с параметрами

233

В соответствии с временными диаграммами напряжений длительность временного интервала, например /12, определяется (без учета UD и rD) подобно длительности затор­

моженного мультивибратора на ИЛЭ типа КМОП с перезарядом конденсатора ВЗЦ:

H _№1.2 i 1_1W .4

Формула (9.43) применима при выбранных из условия £ тах < £/вх тах сопротив­

лениях Я* и Я3 одного порядка с выходным сопротивлением ИЛЭ ЯвЫХ, что обеспечива­ ет нормальную работу ИЛЭ без перенапряжений по входам.

При Rit Ra > Явых выражение (9.43) преобразуется к виду

где Y = и п/Е'вых, щ =

В этом случае для устранения перенапряжения ИЛЭ по входам последовательно с диодами следует включать дополнительные резисторы Я '.

Так как цепи перезаряда конденсаторов С1 и С2 в прямом и обратном направлениях идентичны, то длительности остальных трех временных интервалов *2з> *з4 *къ определя­ ются аналогично длительности tl2-

234

При отсутствии дополнительных источников зарядных напряжений длительности временных интервалов (при R » Явых)

Таким образом, формирование очередного временного интервала должно заканчи­ ваться после окончания перезаряда конденсатора, участвующего в формировании пре­ дыдущего интервала времени.

Изменением длительностей временных интервалов (времязадающих элементов ВЗЦ) в двухфазном генераторе на ИЛЭтипа КМОП регулируются фазовые соотношения и пара­ метры выходных импульсов. Электронную регулировку удобно производить изменением дополнительных зарядных напряжений (при их наличии). Как следует из соотношений

В МФГ на ИЛЭ И—НЕ типа МОП (рис. 9.18, в и г), в отличие от подобных генерато­ ров на ИЛЭ типа КМОП, в качестве ВЗЦ целесообразно использовать RC-цепи с переза­ рядом конденсаторов относительно нулевого уровня выходных напряжений ИЛЭ (ВЗЦ вида 4 в табл. 3.5).

Генератор собран на двух /?«S-триггерах с прямыми входами на ИЛЭ DDL1, DD1.2 и ИЛЭ DD1.3, DD1.4, к выходам каждого из которых подключена ВЗЦ с перезарядом конденсатора. ВЗЦ формируют четыре временных интервала fa, *23, *34» *4б и включены таким образом, что управляющие сигналы с выходов первой ВЗЦ (Rl, R2, Cl, VD!t VD2) по окончании формирования интервалов / j 2 и *23 поступают сначала на вход первого, а потом на вход второго триггеров, а с выходов второй ВЗЦ (R l, R2, C l, VD3, VD4) по окончании формирования интервалов t& и ^ g — сначала на вход второго, а затем на вход первого триггеров. Такое включение ВЗЦ обеспечивает формирование на выходах тригге­ ров (авых1 и ивых2 па РИс«9-18, а) двух импульсных последовательностей, у которых им­

пульсы одной из них задержаны относительно импульсов другой на определенное и ре­

Переключаются триггеры в генераторе под воздействием времязадающих напряже­ ний авх (1), изменяющихся в процессе перезаряда конденсаторов по экспоненциальным

законам от Emln и стремящихся к нулю (при отсутствии дополнительных разрядных на­

пряжений) в моменты времени, когда ивх^ £/„. Длительности временных интервалов

*1 2 и *з4 определяются по аналогии с длительностями выходных импульсов заторможенных мультивибраторов на ИЛЭ типа МОП с перезарядом конденсаторов ВЗЦ (см. рис. 9.14, а), а длительности временных интервалов 123 и f4g — по аналогии с расчетными соотношения­ ми для длительностей выходных импульсов таких мультивибраторов в автоколебатель­

ном режиме (см. рис. 9 .8 , а). Например, при R >

где V

Временная задержка *Дф между выходными импульсами генератора регулируется

изменением длительности временного интервала /2з* Для устранения жесткого режима возбуждения МФГ на ИЛЭ типов МОП и КМОП

применяются меры, аналогичные для подобных однофазных автоколебательных мульти-

235

вибраторов. Например, на рис. 9.19, а показана принципиальная схема двухфазного ге­ нератора импульсов с регулируемой временной задержкой на ИЛЭ ИЛИ—НЕ типа КМОП (при [ис = 0 ), в котором для устранения жесткого режима возбуждения применены

схемы автоуправляемого смещения на ИЛЭ DD1.5 и DD2.5. На рис. 9.19, б изображена

принципиальная схема двухфазного ге­ нератора импульсов на ИЛЭ И—НЕ типа МОП с резисторными отрицатель­ ными обратными связями.

7. МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ НА ИЛЭ ТИПОВ КМОП И МОП

Основным дестабилизирующим фак­ тором, влияющим на стабильность вре­ менных параметров ИУ на ИЛЭ типов КМОП и МОП, являются флуктуации входных пороговых напряжений таких элементов (0 Пдля ИЛЭ типа КМОП и

£/„, U{n для ИЛЭ типа МОП, см.

рис. 9.1). Составляющая нестабильно­ сти, которую вносят в общую неста­ бильность изменения падений напряжения на открытых диодах, незначительна, ввиду

высоких логических перепадов выходных напряжений ИЛЭ типа КМОП (£вЫЗС» Uо)

и МОП (| £дЫХ| > UD). Для уменьшения влияния входных пороговых напряжений на

длительности выходных импульсов генераторов на ИЛЭ типа КМОП и МОП следует применять резисторные отрицательные обратные связи и транзисторные ВЗУ.

Метод стабилизации импульсных устройств на ИЛЭ типов КМОП и М ОП путем применения резисторных отрицательных обратных связей

Такой метод применяется для стабилизации ИУ на ИЛЭ с пассивными ВЗЦ. Роль пороговых (чувствительных) элементов в таких устройствах выполняют ИЛЭ со своими значениями входных пороговых напряжений. Стабильность длительностей временных интервалов определяется моментом переключения ИЛЭ при равенстве времязадаюшего напряжения, формируемого из выходного напряжения ИЛЭ с помощью времязадаюших /?С-цепей, и входного порогового напряжения ИЛЭ.

Таким образом, для повышения стабильности временных параметров ИУ на ИЛЭ типов КМОП и МОП необходимо обеспечить пропорциональное изменение выходных и

236

входных пороговых напряжений ИЛЭ при дестабилизирующих воздействиях. С этой целью в схемы ИУ вводят дополнительные ИЛЭ, охваченные резисторными отрицатель­ ными обратными связями по напряжению [17].

В стабилизированном указанным методом автоколебательном мультивибраторе на ИЛЭ И—НЕ типа КМОП с перезарядом конденсатора ВЗЦ (рис. 9.20, а) конденсатор С перезаряжается через выходы дополнительно введенных инверторов на ИЛЭ DD1.3 и DD1.4, охваченных резисторными обратными связями. Последние подключены к вы­ ходам /^S-триггера на ИЛЭ DD1.1 и DD2.2 через коммутирующие диоды VD3 и VD4.

DD1.4 устанавливаются соответст­

венно выходные напряжения нулевого и единичного уровней ( £ /вых3 и £/вых4).

При принятой на рис. 9.1, д аппроксимации передаточной характеристики ИЛЭ типа КМОП

237

При / > t2 конденсатор С перезаряжается в обратном направлении через выход ин­ вертора DD1.3, открытый диод VD2 и резистор R2, а входное напряжение ивх1 ИЛЭ

DD/.7 экспоненциально уменьшается с постоянной времени та от £ шах1> стремясь к нулю

(t > t2). Диоды VD3 и VD1 при этом закрыты.

Формирование выходного импульса с длительностью / и3 заканчивается при мвх1 <

<Цп после возвращения триггера и инверторов в исходные состояния. Длительности сформированных таким образом импульсов

и без учета разброса пареметров ИЛЭ типа КМОП расчетные соотношения (9.51) прини­ мают более простой вид:

типа МОП с перезарядом конденсатора ВЗЦ (см. рис. 9.14, г), в схему мультивибратора необходиго ввести два дополнительных инвертора на ИЛЭ ИЛИ—НЕ DDL4 и DD1.5, охваченных резисторными отрицательными обратными связями (рис. 9.20, в).

Стабилизирующее действие резисторная цепочка (Rl, R2 или R3, R4) обратной связи

где К — коэффициент усиления ИЛЭ типа МОП; р —'коэффициент передачи звена обрат­ ной связи.

Конденсатор С перезаряжается в прямом направлении после переключения тригге­ ра входным запускающим импульсом (t = t± на рис. 9.20, г) через выход инвертора DD1.5 и резистор R . В обратном направлении, после возвращения триггера в исходное состоя­ ние (t= t2), конденсатор перезаряжается через выход инвертора D D /.4 и открытый диод VD1. Так как в прямом и обратном направлениях конденсатор перезаряжается через ста­ билизирующий инвертор, то длительность выходного импульса заторможенного мульти­ вибратора

Таким образом, длительности выходных импульсов стабилизированных автоколеба­ тельного (рис. 9.20, а) и заторможенного (рис. 9.20, в) мультивибраторов при принятых предположениях не зависят от девиаций входных пороговых и выходных напряжений

ИЛЭ, а определяются только параметрами стабилизирующих резисторных обратны* связей н времязадающих элементов. 1 я

238

Стабилизация импульсных устройств на ИЛЭ типов КМОП и М ОП путем применения

транзисторных времязадающих устройств

Влияние входных пороговых и выходных напряжений ИЛЭ типа МОП и КМОП на временные параметры ИУ в значительной степени уменьшается при применении мостовых времязадающих .RC-цепей и управляющих транзисторов. ИЛЭ в этом случае переключа­ ются под воздействием перепадов напряжения с коллекторов управляющих транзисто­ ров в моменты равенства времязадающих и опорных напряжений. Времязадающие и

опорные напряжения сравниваются с помощью диодов или переходов биполярных транвисторов.

Опорное напряжение формируется резисторным делителем из напряжения источни­ ка питания микросхем или из единичного (нулевого для ИЛЭ типа МОП) выходного на­

пряжения ИЛЭ. Исключение составляют двухконденсаторные ВЗЦ (ВЗЦ видов 3 и б в табл. 3.3), где сравниваются два ВЗН между собой. Коэффициенты деления резистор­ ных делителей напряжения и отношения постоянных времени ВЗЦ выбираются из табл. 3.3 в зависимости от типа применяемых микросхем, вида ВЗЦ, назначения и режима работы ИУ. На рис. 9.21, а изображена принципиальная схема импульсного делителя частоты на ИЛЭ И—НЕ типа КМОП с перезарядом конденсатора ВЗЦ и управляющими

транзисторами.

Переключение логических элементов делителя происходит под воздействием входных импульсов (ивх при * = *f, / = *3, t = ti на рис. 9.21, б) при поступлении управляющих

сигналов с управляющих транзисторов VT1 и VT2 (t = *2, * = h)» Управляющие сигна­ лы (перепады напряжения) формируются на коллекторах управляющих транзисторов при их отпирании в момент равенства времязадающего и опорного напряжений. Последние сравниваются эмиттерными переходами биполярных транзисторов VT1 и VT2.

Параметры выходных импульсов делителя /и = я^вх» Т = (/if + к2) Твх= л7вх, где коэффициенты деления частоты /if и л2 определяются временами перезаряда конденса­

Где у __ коэффициент деления резисторного делителя напряжений.

Для обеспечения минимума относительных нестабильностей временных интервалов *12 и *34 необходимо выбирать у = 0,35, а для получения больших коэффициентов деле­ ния л (максимальной эффективности делителя), у = 0,17 (см. табл. 3.3).

239

Г л а в а 1 0

ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ТРИГГЕРАХ

1. ОБЩ ИЕ СВЕДЕНИЯ

На триггерах выполняются автогенераторы и заторможенные (ждущие) генераторы импульсов, делители частоты следования импульсов, генераторы импульсов с плавноиз­ меняемой длительностью или частотой повторения, а также многофазные импульсные генераторы.

Принцип построения импульсных генераторов на асинхронных статических триг­ герах с двумя устойчивыми состояниями основан на том, что все триггеры этого типа имеют два выхода (прямой и инверсный), между которыми включается ВЗУ. При очередном опрокидывании триггера изменяются уровни выходного напряжения на этих выходах: высокий уровень, соответствующий при положительной логике логической единице, сменяется низким, соответствующим логическому нулю.

При одном из двух устойчивых состояний триггера времязадающий конденсатор за­ ряжается до напряжения одной полярности, зависящего от разности между высоким и нижним уровнями выходных напряжений триггера. При смене состояния триггера на про­ тивоположное зарядившийся до определенного уровня конденсатор начнет разряжаться, а затем, разрядившись до нуля, будет заряжаться напряжением противоположной по­ лярности. После заряда конденсатора до определенного уровня триггер снова опрокиды­ вается и т. д.

Для получения сигналов управления триггером и обеспечения периодически повто­ ряющихся разрядов и зарядов обкладки конденсатора через диоды подключаются ко вхо­ ду сравнивающего устройства (компаратора). Когда потенциал одной из обкладок конден­ сатора при очередном процессе заряда достигнет уровня опорного напряжения £/оп ком­

паратора последний, срабатывая, воздействует своим выходным сигналом на триггер и изменяет его состояние на противоположное. В следующем цикле разряда-заряда уров­ ня опорного напряжения достигает потенциал другой обкладки. Таким образом, асин­ хронный триггер в сочетании с компаратором обеспечивает периодическое повторение пе­ реходных разрядно-зарядных процессов времязадающего конденсатора. При плавном из­ менении уровня опорного напряжения Uon происходит плавное изменение длительности

(частоты повторения) генерируемых импульсов.

Несмотря на некоторую сложность, генераторы импульсов на триггерах и компара­ торах имеют существенные преимущества перед генераторами других типов, так как они генерируют импульсы прямоугольной формы с крутыми фронтами, длительность ко­ торых практически не зависит от частоты следования импульсов и определяется только частотными свойствами триггера.

Ввиду того, что в некоторых генераторах используется один времязадающий конден­ сатор и обеспечивается его перезаряд, обычная стадия восстановления в цикле работы генератора отсутствует, и поэтому можно получить импульсы с большой скважностью. Уменьшая уровень опорного напряжения компаратора и, следовательно, пределы изме­ нения биполярного напряжения на времязадающем конденсаторе, можно получить сравнительно высокую частоту повторения импульсов при достаточно большой емкости времязадающего конденсатора. У генераторов других типов увеличение частоты повто­ рения достигается уменьшением емкости времязадающих конденсаторов до значений, соизмеримых с паразитными емкостями. Условия самовозбуждения генераторов при этом ухудшаются, стабильность частоты понижается, крутизна фронтов и максимальная час­ тота повторения уменьшаются.

При перезаряде времязадающего конденсатора обеспечивается более высокая ста­ бильность частоты колебаний, так как при этом кривая ВЗН пересекает уровень порога срабатывания под менее острым углом.

В связи с тем, что опорное напряжение компаратора можно сделать пропорциональ­ ным напряжению источника питания, длительность импульсов (частота) мало зависит от напряжения источника питания. Поскольку длительность /и импульсов зависит от длительности перезаряда, а не просто заряда или разряда, в генераторах этого типа можно получить сравнительно большую удельную длительность tj,x9 где т — постоянная вре­ мени ВЗЦ. Однако нужно иметь в виду, что при увеличении опорного напряжения Uon

компаратора удельная длительность будет увеличиваться, а стабильность длительнос­ ти — ухудшаться.

240