книги / Справочник по микроэлектронной импульсной технике

Для оценки влияния нестабильности отношения ух = | Ех |/£ на стабильность дли­ тельности при yD я? const, согласно выражению (3.61), получим

Оптимальное значение ух, соответствующее минимуму нестабильности, определяется

опомощью максимума функции

/(Vx) = (2YX— 1) In [2/(2Yl — 1)].

71

Но в этом случае удельная длительность равна единице и выигрыша по стабильности согласно выражению (3.62) не получается. Высокая стабильность длительности, таким образом, может быть обеспечена только при стабильной величине ylf лишь незначитель­ но большей 0,5. Так, при уг = 0,55 (5 % превышение Yi величины 0,5), согласно выраже­ ниям (3.62) и (3.63), получим 6 /пр ^ 0,16 AyD, Э ^ 9/AyD.

Еще большую стабильность можно получить в том случае, когда мост (рис. 3.9, а) подключается к точкам, потенциалы которых скачкообразно и в противофазе меняются от + £ до —Е и от —Е до + Е . Протекающие в рассматриваемой мостовой цепи процес­ сы аналогичны процессам, изображенным на рис. 3.9, б.

Для обеспечения усилительного режима работы транзисторов в этом случае в их эмиттерные цепи включаются источники питания — Ег ^ 2£, Е2^ 2Е. Это объясняется *гем, что, как следует из временных диаграмм на рис. 3.9, в, к базам подводятся напряже­ ния с обкладок конденсатора, максимум которых близок к 2Е. Переходы база — коллек­ тор транзисторов в этом варианте моста отпираются в тот момент, когда конденсаторы пе­ резаряжаются до напряжения +£* или —Е. Во всем остальном процессы перезаряда про­ исходят так же, как и при питании моста напряжениями, меняющимися от Е до нуля и от нуля до Е.

Для определения закона изменения напряжения на конденсаторах воспользуемся

72.

поскольку yD <£ 4y2, Y2 ^ Ь

Если, как и в предыдущем случае, обеспечить 10 %-ное превышение величиной у, единицы (у2 = 1.1), то из выражений (3.68) и (3.69) получим 6 *пр 0,07AyD, Э = 54/Аур

6 . СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВРЕМЯЗАДАЮЩИХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ И ГЕНЕРАТОРОВ ИМПУЛЬСОВ

Сравнительную оценку эффективности времязадающих цепей (процессов) и постро­ енных на их основе ждущих и автоколебательных генераторов импульсов легко выпол­ нить с помощью данных, помещенных в табл. 3.1. В ней, в порядке понижения эффектив­ ности сначала (строки 1—12) перечислены все возможные переходные процессы в прос­ тейших /?С-цепях и в резисторно-конденсаторных мостах, которые можно использовать в качестве времязадающих (хронирующих) элементов генератора.

Ввиду того что в качестве времязадающего напряжения могут быть использованы как напряжение на конденсаторе, так и на резисторе #С-цепи, при выборе времязадающего процесса необходимо обращать внимание не на сам процесс заряда, разряда или переза­ ряда, а на характер времязадающего напряжения. Так, напряжение на конденсаторе при разряде по форме совпадает с напряжением на резисторе при заряде через него конден­ сатора.

Строки 13—19 отражают показатели переходных процессов при заряде, разряде к перезаряде конденсаторов постоянным током, а строки 2 0 , 21 — увеличивающимся током.

Двойное увеличение показателя эффективности автогенератора по сравнению с жду­ щим генератором в 3,5,9 и 11-й строках объясняется тем, что как в ждущем, так и в автоколебательном режиме используется одно времязадающее устройство (RC-цепь или мост). В других случаях переход от ждущего режима к автоколебательному вызыва­ ет необходимость использования второго времязадающего устройства (строки 7, 8 , 10 и 12). Прочерки в строках 3, 5, 9 и 11-й означают, что соответствующие процессы не мо­ гут быть реализованы в ждущем режиме, а прочерки в строках 1, 2, 4, 6 -й — в автоколе­ бательном режиме.

Наименьшую эффективность (Э ?=* 0,25/Ауп) имеет мостовая времязадающая цепь, включаемая между корпусом и точкой, потенциал которой скачкообразно изменяется от нуля до Е, Такой низкий показатель эффективности мостовой времязадающей цепи во­ преки многим ее достоинствам [19] объясняется двумя обстоятельствами. Во-первых, мостовая времязадающая цепь содержит две RC-цепи и поэтому ее показатель Э в знаме­ нателе имеет дополнительную 2. Во-вторых, порог срабатывания мостовой цепи не опти­ мизируется, поскольку он определяется пороговым элементом (диодом) с постоянным, близким к нулю порогом (уп ^ 0 ).

Таким образом, процессы в обычной мостовой времязадающей цепи имели бы показа­ тель эффективности Э 0,5/Дуп, совпадающий с показателем процесса разряда до нуля конденсатора, предварительно заряженного до напряжения + £ и стремящегося переза­ рядится до напряжения —£ , если бы мостовое времязадающее устройство имело бы ее две, а одну RC-цепь.

Процессы заряда, разряда и перезаряда конденсаторов моста и /?С-цепи постоянным током обеспечивают более высокую эффективность, чем в случае экспоненциально изме­ няющихся токов заряда, разряда и перезаряда. Наибольшую эффективность обеспечи­ вают процессы перезаряда нарастающим током.

Выполненная сравнительная оценка медленных времязадающих процессов не явля­ ется исчерпывающей. Дело в том, что при оценке учитывались только нестабильность порогового напряжения. В некоторых случаях показатель эффективности может оказаться сильно зависящим и от других дестабилизирующих факторов, имеющих большее значе­ ние, чем нестабильность порога срабатывания. Кроме того, пороговые элементы разных

73

типов генераторов могут заметно различаться, обусловливая тем самым разные значения ДупСравнение же производилось в предположении, что Дуп разных генераторов одинановые.

Более полный учет всех дестабилизирующих факторов целесообразно производить при анализе процессов в конкретных вариантах генераторов.

7. ОБЩ ИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВАХ НА ЦИМС

Целесообразность построения различного рода импульсных устройств (ИУ) на ЦИМС диктуется следующими причинами:

применение однотипной элементной базы во всех узлах цифровых систем, что повы­ шает степень унификации изделия и позволяет при его изготовлении использовать еди­ ные технологические приемы;

обеспечение естественного согласования между выходами (входами) ИУ и входами (выходами) последующих (предыдущих) логических каскадов;

применение единых источников питающих напряжений при выполнении ИУ и циф­ ровой части комплекса на микросхемах одной серии, что также исключает необходимость согласования по уровням входных и выходных напряжений;

возможность выполнения ИУ и логических каскадов на единой подложке, что повы­ шает степень микроминиатюризации изделия и уровень его интеграции;

сочетание традиционных импульсных методов формирования временных интервалов с цифровыми позволяет улучшить ряд характеристик ИУ, наряду с простотой исполне­ ния, расширить их функциональные возможности.

В настоящее время наиболее широко применяются устройства на ЦИМС типов ТТЛ, ЭСТЛ, а также ЦИМС на МОП-структурах.

Одной из первых задач, с которой сталкивается разработчик при построении импуль­ сного генератора, работающего в автоколебательном или заторможенном режимах, яв-

R1 R1

Рис. ЗЛО

ляется выбор вида времязадающей цепи (ВЗЦ) для получения заданных временных ин­ тервалов. Если в качестве времязадающего использовать процесс накопления заряда емкостью, то в качестве ВЗЦ могут быть использованы следующие /?С-цепи: дифферен­ цирующая (рис. 3.10, а), интегрирующая (рис. 3.10, б), двухконденсаторная моставая (рис. 3.10, в), с перезарядом конденсатора относительно нулевого (рис. 3.10, г) или еди­ ничного (рис. 3.10, д) уровней выходного напряжения ЦИМС, мостовая с перезарядом двух конденсаторов (рис. ЗЛО, ё).

В дальнейшем перечисленным ВЗЦ, ради упрощения, присвоены в порядке перечис­ ления номера от 1 до 6 .

При выбранной ВЗЦ обобщенная структурная схема автоколебательного генератора импульсов имеет вид, изображенный на рис. 3.11, где СС— схема сравнения, ИОН — источник опорного напряжения. Входные напряжения ивх ВЗЦ на рис. ЗЛО являются

одновременно выходными напряжениями триггера, а их выходные напряжения и^ — входными напряжениями СС.

76

СС производит сравнения: времязадающих напряжений ВЗЦ с опорными напря­ жениями ИОН (для ВЗЦ вида 1, 2, 4, 5); времязадающих напряжений ивых1 и ывых2

между собой (для ВЗЦ вида 3); времязадающих напряжений « вых1 с нвых2, а ывых3 с нвых4 (для ВЗЦ вида 6 ). При равенстве времязадающих напряжений или времязадающих

иопорных напряжений СС вырабатывает сигнал на переключение триггера. В качестве

ССиспользуются транзисторы, диодно-транзи­

лод воздействием времязадающего напряжения с ВЗЦ. Роль СС в этом случае выполняет триггер, а опорным напряжением служит

пороговое напряжение Un переключения триггера. Для таких ИУ можно применять ВЗЦ вида 1, 2, 4, 5.

Для каждого вида ВЗЦ, в зависимости от соотношения выходных напряжений ЦИМС и- опорных напряжений, относительные нестабильности 6 /и и удельные длительности t j i формируемых временных интервалов, ввиду экспоненциальных законов изменения времязадающих напряжений, различны. При использовании в качестве СС тригге­ ра подобные различия зависят от соотношения выходных и пороговых входных напря­

для ВЗЦ 3 и 6 , где т, Tj и т2 — постоянные времени ВЗЦ; a, b, с, dt m, nt г, Z— парамет­ ры, зависящие от вида ВЗЦ и типа ЦИМС; у — коэффициент, определяемый отношением пороговых входных и выходных напряжений ЦИМС для ИУ без СС или коэффициент деления резисторного делителя ИОН для ИУ по структурной схеме на рис. 3.11 с ВЗЦ вида 1, 2, 4 и 5 или из уравнения

типа ЦИМС, полярности выходных напряжений микросхем различной логики (0, + £ ;

71

П р о до л ж ен и е т а б л , 3 ,2

При выборе вида ВЗЦ необходимо воспользоваться критериями минимума относи­ тельной нестабильности длительности временного интервала и максимума эффективности

(3.75J

78

тх6 <и

где A (TJ/TJJ) — абсолютное приращение отношения тх/т2;

Результаты расчетов на ЭВМ оптимальных коэффициентов yopt и отношений обеспечивающих минимум относительной нестабильности (6 /H)min и максимум эффектив­ ности Этах, по формулам (3.73) — (3.76) с учетом данных табл. 3.2, приведены в табл. 3.3.

га

При использовании в качестве СС триггера коэффициенты у принимают конкретные значения у* в зависимости от типа ЦИМС. Для типовых параметров ЦИМС [3, 43, 441 эти значения приведены в табл. 3.4. Относительные нестабильности 6 /и и эффективности Э ИУ с ВЗЦ вида 1 , 2, 4, 5 в этом случае определяются по формулам (3.73) и (3.74) в точ­ ках уi (табл. 3.5). Знаменатели дробных показателей эффективности в табл. 3.3 и табл. 3.5 указывают на необходимое количество #С-цепей для-обеспечения автоколебательного или заторможенного режима работы ИУ.

По данным табл. 3.5 выбирается вид ВЗЦ в зависимости от типа применяемых ЦИМС, режима работы и назначения ИУ. Так, например, при построении ИУ на ЦИМС типа ТТЛ, для формирования временных интервалов, рекомендуется применять диффе­ ренцирующие /?С-цепи или #С-цепи с перезарядом конденсатора относительно единич­ ного уровня выходного напряжения микросхем. Указанные ВЗЦ обеспечивают наимень­ шие относительные нестабильности длительностей формируемых временных интервалов

с помощью малых постоянных времени ВЗЦ вида 5 обеспечивает максимальную эффек­ тивность ИУ Э = 0,72/Ду (табл. 3.5). Использование ВЗЦ вида 5 для построения затор­ моженного генератора на ЦИМС типа МОП позволяет почти в 4,62/1,36 = 3,5 раза сни­ зить влияние Ду на длительность формируемых импульсов, по сравнению с ВЗЦ вида 2.

80