книги / Справочник по микроэлектронной импульсной технике

2 . ГЕНЕРАТОРЫ НА АСИНХРОННОМ ТРИГГЕРЕ С ДИОДНЫМИ КОМПАРАТОРАМИ И ВРЕМЯЗАДАЮЩИМ КОНДЕНСАТОРОМ

Принципиальная схема автогенератора на асинхронном триггере с двумя входами

изображена на рис. 10.1, а. В качестве триггера с двумя входами можно использовать RS- или //(-триггер. В этом генераторе используется компаратор на диодах VD5 и VD3 о усилителями на транзисторах VT1 и VT2, коллекторы которых связаны с /- и /(-входом триггера. С помощью диода VD1 (VD2) отключается выход //(-триггера, когда

t = 0 включается источник питания и на выходе Q триггера устанавливается высокий уро­

вень, а на выходе Q — низкий (рис. 10.1, б). Тогда диод VDI закрывается, а конденсатор С начинает заряжаться от источника напряжения Е через верхний резистор R, диод

VD4, участок база — эмиттер транзистора VT2, диод VD2 и выход Q триггера. Транзис­ тор VT1 при этом закрыт, a VT2 — открыт и нааыщен. Потенциалы анодов диодов VD3 и VD5 в начале процесса заряда почти равны нулю и поэтому они закрыты. По мере заряда потенциал верхней обкладки конденсатора возрастает, стремясь к напряжению Е. Почти к этому же напряжению стремится зарядиться конденсатор. Потенциал нижней обкладки при заряде конденсатора остается постоянным и близким к нулю, если пренебречь напряжениями на эмиттерном переходе транзистора VT2, на диоде VD2 и вы­

ходе Q.

Когда потенциал верхней обкладки достигнет уровня опорного напряжения Uon *=

= уЕ, где у < Ь опорный диод VD3 начнет отпираться. Зарядный ток, протекающий при закрытом диоде VD3 через участок база—эмиттер транзистора VT2 и обеспечиваю­ щий его насыщенное состояние, начнет быстро уменьшаться с новой малой постоянной

241

времени, определяемой малым сопротивлением открывшегося диода VD3. Транзистор VT2 выйдет из режима насыщения и по мере быстрого уменьшения зарядного (базового)

пряжение на котором запирает транзистор VT2. При разряде конденсатор стремится перезарядиться до напряжения —Е. Когда, разрядившись до нуля, он перезарядится до напряжения —yEf потенциал его нижней обкладки достигнет значения, близкого к уЕ, начнет отпираться опорный диод VD5. Насыщенный транзистор VT1 вследствие быстро­ го уменьшения зарядного (базового) тока начнет запираться, вызывая появление высо­ кого уровня напряжения на /-входе триггера, который снова опрокинется. Описанные процессы в генераторе будут периодически повторяться.

Необходимо иметь в виду, что при запирании ранее находившегося в насыщенном со­ стоянии транзистора на один из входов JK -триггера подается положительный перепад напряжения. На втором входе триггера в это время также высокий уровень напряжения. Для R5-триггера такая комбинация входных сигналов недопустима. Поэтому в качестве триггера с двумя входами необходимо использовать /^-триггер. При использовании /?5-триггера между коллекторами транзисторов и его входами необходимо включить дифференцирующие конденсаторы емкостью 100—500 пФ, в зависимости от частоты пов­ торения импульсов.

Длительность первого после включения источника питания импульса (рис. 10.1, б) определяется процессом заряда конденсатора по закону

uc (t) = ( E - 4 U D) ( l - e - ‘/ \

где UD — напряжение на диодах VD4> VD2 и переходе база — эмиттер VT2; т = RC.

где YD - V JE .

Длительность /„ второго и всех последующих импульсов определяется законом изме­

При необходимости получения импульсов со скважностью 0 .Ф 2 сопротивления резисторов R должны быть различными;

242

цепях перезаряда-конденсатора вызывают уменьшение длительности импульса (их напря­ жения отражаются в числителе дроби под логарифмом), а другие — увеличение (их на­ пряжения отражаются в знаменателе). Исключить влияние диодов на длительность им­ пульса можно двумя методами.

Один метод стабилизации заключается в том, что некоторые из диодов заменяются двумя последовательно включенными. Это удвоение производится так, чтобы напряжения

Этот метод стабилизации, описанный в гл. 7, имеет недостаток, заключающийся в не­ обходимости увеличения количества потребных элементов схемы.

Другой метод заключается в определении такого значения относительного порога срабатывания у» при котором величина yD в выражение (10.1) не входит. Чтобы найти

такое значение у» выражение (1 0 .1) после умножения и деления дроби под логарифмом на (1 — у2) необходимо привести к виду

Для того чтобы длительность импульса не зависела от yD, необходимо выполнить условие

0 + Yopt - 6 Yz>) (1 - Yopt) = (1 - Уopt — 2YD) (! + Y0pt)«

откуда yopt = 0,5, a tH= RC In 3 tss 1,1 RC.

Как следует из строки 9 табл. 3.1, определенный здесь порог yopt лежит между опти­

мальным значением у = 0,55 по эффективности и у = 0,46 по стабильности, определяе­ мой стабильностью напряжения срабатывания порогового элемента.

Для нормальной работы генератора необходимо обеспечить насыщенный режим открытого транзистора в процессе разряда-заряда конденсатора до момента отпирания одного из опорных диодов. Если учесть, что базовый ток открытого транзистора равен за­ рядному току /^конденсатора, который в момент, предшествующий отпиранию опорного

диода,

а коллекторный ток примерно равен E!Ri> то условие насыщения будет выполнено при

/Д ля повышения стабильности частоты колебаний автогенератора (рис. 10.1, а) зарядно-разрядные резисторы R при наличии источника высокостабильного напряжения Ех = YiE. где Е — напряжение источника питания для триггера (ух > 1), можно под­ ключить не к + Е , а к -ЬЕ*. В этом случае конденсатор при разряде будет стремиться пе­ резарядиться до напряжения £*, а формула (1 0 .1) для длительности ta преобразуется к виду

если порог оптимизировать описанным выше способом и выбрать равным yopt = 0,5у*.

Кроме того, при наличии источника напряжения Е£ можно увеличить максимально допустимое сопротивление резисторов R и, следовательно, длительность генерируемых импульсов. Условие (Ю.4) насыщения открытого транзистора при этом принимает вид

R < Р (Ух — у) R*

243

Заторможенный генератор импульсов на асинхронном триггере с диодными компара­ торами и времязадающим конденсатором получается из рассмотренного автогенератора импульсов (рис. 1 0 .1 , а) путем исключения одного из опорных диодов, например диода VD5. В этом случае отпадает необходимость и в транзцсторе VT1, диодах VD4, VD2 и в нижнем резисторе R. Полученная таким образом схема заторможенного генератора изо­ бражена на рис. 1 0 .1 , в.

Принцип работы заторможенного генератора заключается в следующем. При от­ сутствии запускающего импульса триггер находится в состоянии, при котором Q = 0 ,

Q = 1 и конденсатор заряжен до разностного напряжения, действующего между выхода­ ми триггера. Приближенно это напряжение равно напряжению источника питания. Диод VD2 при этом закрыт, транзистор VT находится почти в закрытом состоянии, соот­ ветствующем случаю разорванной цепи базы. При подаче на ./-вход триггера импульса или перепада напряжения положительной полярности триггер переходит в состояние,

при котором Q = 1, Q = 0. Зарядившийся конденсатор начинает разряжаться через учас­

ток база — эмиттер VT, выход Q триггера, источник напряжения Е и резистор ./?, стре­ мясь перезарядиться до напряжения —Е (рис. 10.1, г). Когда напряжение на конденсаторе станет близким к уЕ, опорный диод VD3 начнет отпираться, ток заряда и, следовательно, базовый ток насыщенного транзистора VT — уменьшаться. Транзистор начнет быстро запираться, вызывая на /(-входе триггера напряжение высокого уровня. Триггер опроки­ нется и возвратится в исходное состояние. Формирование импульса положительной по­ лярности на выходе Q триггера на этом закончится.

После возврата триггера в исходное состояние начинается стадия восстановления, во время которой перезарядившийся конденсатор быстро разрядится, а затем зарядится через диоды VD2 и VD1 до напряжения, примерно равного Е.

Если после включения источника питания и до подачи импульса запуска триггер ока­

жется в состоянии, при котором Q = 1 , a Q = 0 , то конденсатор сначала через резистор R и участок база — эмиттер транзистора VT зарядится до напряжения уЕ, при котором откроется опорный диод VD3 и закроется транзистор VT. После этого высокий потенциал

коллектора этого транзистора переведет триггер в состояние, при котором Q = 0 , O’= 1. Конденсатор быстро разрядится через диоды VD1 и VD2, а затем зарядится до напряже­ ния Е . В этом состоянии триггер будет находиться до прихода запускающего импульса.

В заторможенном генераторе в качестве триггера с двумя входами необходимо ис­ пользовать .//(-триггер, когда осуществляется непосредственная связь коллектора транаистора VT с /(-входом триггера, или /?5-триггер, когда между коллектором транзистора VT и входом триггера включен дифференцирующий конденсатор.

Длительность импульса можно определить, воспользовавшись следующими напря­

Для исключения зависимости длительности от yD найдем такое значение у, при ко­ тором напряжения UDrвзаимно скомпенсируются/ а выражение для длительности при­ обретет вид

244

чае исключается нестабильность длительности, обусловленная нестабильностью коэффи­ циента у, а длительность

2 — 6vD

*„ = Д С 1п -=-------— & R C In 2 &0,7RC

1 - YD

становится зависящей от напряжения на диодах.

3. ГЕНЕРАТОРЫ НА АСИНХРОННОМ ТРИГГЕРЕ С ПЛАВНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ПЕРИОДА ПОВТОРЕНИЯ ИЛИ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ

Для плавного изменения периода повторения импульсов необходимо опорное напря­ жение UQn в автогенераторе (рис. 10.1, а) заменить изменяемым управляющим (уор* +

+ Yynp) Е, а Для плавного изменения длительности такую замену необходимо выполнить

245

вующее этому максимальное относительное изменение периода 671 3,65 Уупр.доп

составляет ±25 %.

Для такого изменения периода повторения управляющее напряжение должно изме­ няться согласно выражению Uynp = (0,5 ± 0,07) Е.

Условия получения линейной зависимости между длительностью импульса и управ­ ляющим напряжением заторможенного генератора (рис. 1 0 . 1 , в) можно получить, вос­

Q =■ 0 . Тогда ранее заряженные конденсаторы С1 и С2 нелинейного ВЗМ начнут разря­

246

денсаторе С1 и равен —EI2, а потенциал его катода — напряжением на выходе 0 тригге­ ра и напряжением на конденсаторе и равен 3£/2.

Таким образом, начальное запирающее напряжение uDi — 2Е. Начальный потенциал

анода VD5 равен нулю, а его катода —Е, Поэтому начальное запирающее напряжение ий$ — Е (рис. 10.2, б). По мере перезаряда конденсаторов последнее остается неизменным,

a uDi уменьшается, стремясь к + £ . Когда оно достигнет нуля, диод VD4 начнет отпирать­

ся, конденсатор С1 прекратит заряжаться. Насыщающий базовый ток транзистора VT2, являющийся зарядным током конденсатора, начнет быстро уменьшаться, поэтому послед­ ний выйдет из насыщения и начнет запираться. Повышение потенциала его коллектора вызовет появление на К -входе триггера высокого уровня напряжения, что приведет к

опрокидыванию триггера в состояние, при котором Q = 0 , Q = 1 . К этому моменту вре­ мени конденсаторы перезарядятся до напряжения —Е/2.

Формирование импульса на этом закончится. После опрокидывания триггера конден­ саторы снова начнут перезаряжаться. Процесс перезаряда теперь будет происходить до

£ , а напряжение uD$t запирающее диод VD5, равно Е (рис. 10.2, в). При подаче на свобод­ ный К -вход триггера импульса запуска положительной полярности триггер опрокинется,

перейдя в состояние, при котором Q = 0. Q •= 1. Конденсаторы начнут перезаряжаться. Потенциал анода VD5 в начале перезаряда определяется напряжением на конденсаторе С1 и поэтому будет равен —Е.

Потенциал катода VD5 определяется напряжением на выходе Q — 1 и напряжением Е на заряженном конденсаторе С2 и равен 2 £. Таким образом, начальное заппрающее на­ пряжение UD5 •= —3Е. По мере перезаряда конденсаторов оно будет уменьшаться, стре­

мясь к + £ . Когда оно достигнет нуля, диод VD5 начнет отпираться, конденсатор С/ прекратит перезаряжаться. Насыщающий перезарядный (базовый) ток начнет быстро уменьшаться.

Транзистор VT1 выйдет из режима насыщения и начнет запираться. Потенциал его коллектора повысится, что приведет к появлению логической единицы на /-входе. Триг­ гер возвратится в исходное состояние, а формирование импульса закончится. После этого конденсаторы снова начнут перезаряжаться, восстанавливая исходное состояние.

5. ГЕНЕРАТОРЫ НА АСИНХРОННОМ ТРИГГЕРЕ И ИНТЕГРАЛЬНОМ КОМПАРАТОРЕ

Основной особенностью интегральных компараторов является наличие одного или двух выходов и двух входов. Уровень напряжения на выходе компаратора изменяется с большой скоростью от значения, соответствующего логической единице (нулю), до значения, соответствующего логическому нулю (единице) в момент, когда напряжение на

247

одном входе, изменяясь, становится равным и большим (меньшим) опорного напря­ жения, действующего на другом входе.

Эту особенность компаратора можно использовать при построении генератора на триггере с одним входом. Для этого времязадающнй конденсатор включают между Q

и 0 выходами триггера, а его вход соединяют с выходом компаратора, на один из входов которого через диоды подают напряжения, действующие между обкладками времязадающего конденсатора и корпусом, а на второй — опорное напряжение. Таким образом, получается схема генератора, изображенная на рис. 10.3, а. Остановимся на некоторых дополнительных ее элементах. Диоды VD1 и VD2 служат для отключения времязадающей RC-цепи от выхода триггера, находящегося под высоким потенциалом. Благодаря

VDt t О

НН

-----J £ П

1^ 1 R

6

этому выходные напряжения триггера имеют прямоугольную форму. Резисторы являются раз­ рядно-зарядными. С помощью диодов VD3 и VD4 напряжения иг и и2 в точках 1 и 2 поочередно подводятся к одному из входов компаратора.

В качестве триггера с одним входом мож­ но использовать Г-триггер, У/(-триггер с объ­ единенными У- и R -входами, а также D-триггер, инверсный выход которого соединен с D-входом. На рис. 10.3, а показан триггер с инверсным вхо­ дом. Если опорное напряжение компаратора по­ дать на верхний его вход, а выход элемента ИЛИ на диодах VD3 VD4 соединить с нижним вхо­ дом, вход триггера должен быть прямым.

Автоколебательный режим работы генератора сводится к следующему. Пусть в мо­

мент t — 0 (рис. 10.3, б) триггер переходит в положение, при котором Q = 1 , Q~= 0. Тогда диод VD1 окажется закрытым, a VD2 открытым. Конденсатор С, зарядившийся ра­

нее до напряжения £/оп, начнет разряжаться через диод VD2, выход Q триггера, ис­

точник напряжения Е и верхний резистор R. Разряжаясь, он будет стремиться перезаря­ диться до напряжения Е противоположной полярности. Напряжение и2 при этом почти равно нулю, а «£ — по мере перезаряда конденсатора и уменьшения тока через верхний резистор R будет стремиться к напряжению £ . Диоды VD3 и VD4 при этом закрыты. Когда напряжение и± станет близким к UQnи несколько превысит его, диод VD3 откро­

ется, напряжение на верхнем входе компаратора станет больше опорного, выходное на­ пряжение компаратора резко упадет, что вызовет опрокидывание Т-триггера с Инверс­ ным входом. Диод VD2 при этом закроется, a VD1 откроется. Конденсатор снова начнет перезаряжаться, теперь уже через диод VD1 и нижний резистор /?. Диоды VD3 и VD4 в начале перезаряда закроются, а выходное напряжение компаратора снова возрастет.

Таким образом, на выходах триггера образуются импульсы прямоугольной формы, а на выходе компаратора — импульсы отрицательной полярности, длительность которых определяется временем опрокидывания триггера и компаратора. Длительность Импулfa-

248

сов на выходе триггера можно определить, воспользовавшись законом изменения напря­ жения Ui или и2. Так, если принять ^ = 0, то

иг = (иоп + Е ) ( 1 - е - ‘* ) - и оп,

При плавном изменении опорного напряжения плавно изменяется период колебаний. Для определения условий линейной зависимости между приращениями периода АТ и приращениями опорного напряжения AUon выражение (10.14) необходимо привести

выхода Q триггера, источника питания Е и резистора R. Когда напряжение щ, повыша­ ясь, достигает уровня (Уоп, выходное напряжение компаратора резко падает. Это вызы­

При плавном изменении в некоторых пределах опорного напряжения будет плавно изменяться длительность импульса. Для оценки возможности получения линейной

249

зависимости iK(^ оп) выражение (10.15) необходимо представить в следующем виде: ]

Таким образом, между приращением длительности импульса Д/п и приращением опорного напряжения Д£/оп = Дуоп£ получается почти линейная зависимость. Сте­

пень отклонения полученной зависимости от линейной приближенно определяется вто­ рым членом разложения функции (10.16) вида In (1 — х). Относительная погрешность линейности

а относительное изменение длительности импульса

Так, при Дуоп = 0,1, Yon = получим Дб/Н= 10 % ,б/и = 15 %. Время восста­ новления генератора

Генераторы на асинхронных триггерах и компараторах, подобные рассмотренным, можно построить, воспользовавшись в качестве компаратора триггером Шмитта в ин­ тегральном исполнении. У последнего имеется два выхода, и поэтому автоколебательный генератор можно выполнить не только на Г-триггере, но и на У/(-триггере.

6 . ГЕНЕРАТОРЫ НА СИНХРОННОМ ТРИГГЕРЕ

ИС ДИОДНЫМИ КОМПАРАТОРАМИ

Вкачестве синхронного триггера с двумя входами наиболее целесообразно исполь­ зовать синхронный У/(-триггер, так как в этом случае можно обеспечить непосредствен­ ную, без применения дифференцирующих конденсаторов, связь коллекторов транзисторов

250