книги / Электронные генераторы. Фильтры

3.3.3. Разновидности МВ–И–НЕ

Рассмотренная ранее симметричная схема МВ– И– НЕ (см. рис. 3.9,а) содержит довольно много навесных элементов – C1, C2, R1, R2, D1,D2. На базе этой схемы легко может быть получен МВ со скважностью q=2 (C1=C2=C, R1= R2 = R), т.е. еще симметричный по выходному сигналу. Так же легко получается МВ со скважностью q>2 (C1≠ C2, или R1≠ R2, или то и другое). Скважность q может достигать 20 [8]. Такая гибкость схемы нужна далеко не всегда. Поэтому практические схемы МВ– И– НЕ часто содержат меньше навесных элементов. Назовем такие МВ модифицированными (упрощенными). Такая упрощенная схема, приведенная на рис. 3.12,а, имеет следующие отличия от рассмотренной ранее схемы:

а) в ней отсутствуют диоды D1, D2. МВ– И– НЕ может работать без них. Если они нужны, то выбирают такие ЛЭ ТТЛ (или ТТЛШ), в которых они встроены в интегральную схему (так называемые антизвонные диоды) [8]. Все МВ этого типа (МВ– И– НЕ) хорошо работают на ЛЭ КМОП, где диоды могут вообще отсутствовать;

Рис. 3.12

161

б) резисторы смещения R1,R2 подключены не к земле (общему проводу), а к выходам (коллекторам) вентилей: R1 – к выходу B1, R2 – к выходу B2. Это почти не влияет на описанные выше процессы заряда-разряда конденсаторов C1,C2, так как выход вентиля, формирующего полупериод (принудительно удерживаемого в открытом состоянии), имеет Uвых ≈ 0 . Зато та-

кое включение резисторов R1, R2 улучшает условия самовозбуждения (установления колебаний), предотвращая «жесткое» возбуждение (когда оба вентиля могут оказаться закрытыми). В схеме на рис. 3.12,а это невозможно, так как при высоких потенциалах на обоих выходах оба инвертора (вентиля) переводятся в активный режим, в котором под действием глубокой ПОС происходит «мягкое» возбуждение колебаний.

На чертежах, как правило, упрощенную схему изображают так, как показано на рис. 3.12,б. Это две одинаковые схемы одного и того же МВ.

На практике часто используют несимметричную схему МВ– И– НЕ, содержащую всего один конденсатор и один резистор. Будем называть такой МВ несимметричным (он несимметричен и по выходному сигналу: q ≠ 2). Его называют также МВ с одной времязадающей цепью [9]. Рассмотрим такой МВ.

Несимметричный МВ–И–НЕ. Схема его приведена на рис. 3.13,а. На рис. 3.13,б показано начертание этой схемы, аналогичное начертанию на рис. 3.12,б.

Полупериод Т1. Пусть при t = 0 произошло очередное опрокидывание (переключение) МВ, в результате которого вентиль B1 оказался закрытым, а вентиль B2 – открытым. Далее начинается медленный заряд-разряд конденсатора. Графики изменений напряжений в узлах схемы, выполненной на ЛЭ без антизвонных диодов на входах, например К155ЛАЗ, приведены на рис. 3.14. Конденсатор C1, перезаряженный до − Uг в предыдущем полупериоде T2 (на рис. 3.14 показан только последующий полупериод T2, в точности такой же, как и предыдущий), начинает сначала разряжаться от − Uг , а потомзаряжаться током,

162

протекающим от +Eп через Rвых1 закрытого вентиля B1, через

резистор R2 и через вход вентиля B2, формируя полупериод T1 точно так же, как это было подробно описано в п. 3.3.2 для симметричного МВ– И– НЕ (см. рис. 3.9,а). Разница только в том, что нет конденсатора C2, выход вентиля B2 непосредственно подключен ко входу вентиля B1 и не происходит перезаряда C2, а в течение всего полупериода T1 (0 ≤ t ≤ t1)

Uвх1 = Uвых2 = Uвых0 ≈ 0.

Рис. 3.13

Но это никоим образом не оказывает влияния на длительность полупериода T1, который определяется формулой (3.6) при начальных условиях UС (0) = −Uг (вместо UС (0) = −Uвх0 ):

Полупериод Т2. В момент t = t1= T1 происходит очередное опрокидывание, в результате которого вентиль B2 переходит в закрытое состояние (Uвых2 = Uвых1 ), а вентиль B1 – в открытое

163

состояние (Uвых1 = Uвых0 ≈ 0 ), в котором он удерживается высоким потенциалом на выходе B2.

Рис. 3.14

Следующий за этим опрокидыванием полупериод T2 (t1 ≤ t ≤ t2) формируется принудительным удержанием вентиля B2 в закрытом состоянии за счет разряда конденсатора C1, как это происходит в транзисторном МВ и МВ– ИЛИ– НЕ. Цепь разряда конденсатора приведена на рис. 3.15,а. Заряженный в течение предыдущего полупериода T1 с полярностью, указанной без скобок, конденсатор C1 после опрокидывания в момент t1 оказывается подключен положительной обкладкой к нулевому вы-

164

ходу вентиля B1 (т.е. к нулевому проводу), а отрицательной обкладкой – ко входу B2. В результате этого входное напряжение скачком становится отрицательным (Uвх2 < 0 < Uг ), по величине

(модулю) равным напряжению на конденсаторе C1 в момент опрокидывания, согласно (3.26):

Рис. 3.15

Далее происходит разряд до нуля, а затем − перезаряд до +Uг (рис. 3.15,б) с постоянной разряда τр :

На рис. 3.14 представлены графики напряжений на ЛЭ без диодов на входах. Если антизвонного диода (D1 (D2) на рис. 3.15,а) нет, разряд конденсатора происходит с постоянной τр (3.37) с самого начала Т2 (график 1 на рис. 3.15,б). Если же диод включен, как показано пунктиром на рис. 3.15,а (например, К555ЛАЗ), то разряд конденсатора происходит очень быстро

165

через диод в прямом направлении до порогового напряжения Uпор (Uпор≈0) в точке t1′ (график 2). Далее перезаряд до +Uг происходит с постоянной τр до t2′ в течение Т2′ (Т2′ < T2).

ный эмиттерный переход МЭТ (многоэмиттерный транзистор):

ирис. 3.15, найдя начальные UС (0), конечные UС (∞ ) условия

иUС (Т2). Величина Т2 будет разной для логических элементов без антизвонных диодов и с диодами на входах ЛЭ.

Полупериод Т2 без диода. По рис. 3.15,б и из формулы

(3.36) можно найти следующее:

где k = (Rвых1 + R) / R .

Подставив условия (3.39) в (3.6), найдем:

где τр взята из формулы (3.37).

166

Из формулы (3.40) можно найти следующее (при условии, что выражение под знаком ln должно быть больше 1):

Eп > 2Uг, R > Rвых1 / (Eп /Uг −1) .

T 2 = τр ln 2,7 = τр .

Полупериод Т2′ с диодом (t1≤ t ≤ t′2). Для нахождения Т2′

примем разряд С до Uпор мгновенным ( t1′ − t1 ≈ 0 , график 2), тогда изменятся начальные условия в (3.39): UС (0) =Uпор . Остальные условия не изменятся. Тогда

Пример 3.2. Условия те же, что в примере 3.1, и Uпор = 0,6 В. Определить Т2′.

Согласно (3.40) T 2' = τр ln1, 6 = 0, 47τр . При тех же дан-

ных произошло уменьшение полупериода Т2.

Период Т. Период колебаний Т будет равен сумме полупе-

риодов Т1, Т2 из формул (3.35) и (3.39).

Без диодов

где τ , τр − постоянные из выражений (3.35), (3.37); UвыхХХ1 ≈ Еп− напряжение холостого хода на выходе закрытого инвертора; k − из формулы (3.39).

167

Пример 3.3. Условия те же, что в примере 3.1. Найти Т и q для МВ без диодов на входе. Согласно (3.35), (3.40) и (3.41)

T= 5 CR ln 3, 47 + 3 CR ln 2,7 = 1,55CR + 0,75CR = 2,3CR . 4 4

Скважность (по выходу 2)

3.3.4. Быстродействующий мультивибратор на ЛЭ

На рис. 3.16,а,б приведены схема генератора импульсов на ЛЭ без времязадающей RC-цепи и временные диаграммы, поясняющие работу схемы.

Рис. 3.16

Схема состоит из цепочки инверторов В1, В2, В3 (логических элементов), соединенных последовательно. Вся цепочка охвачена единичной обратной связью (UОС=Uвых) с выхода В3 на вход В1. Количество инверторов N – нечетное. Период колебаний Т (или частота колебаний F = 1/T) определяется только инерционностью инверторов – средним временем задержки сиг-

168

нала τ ср. Такую схему называют кольцевым генератором и используют для определения среднего времени задержки τ ср, для чего выбирают N = 7…9 [3], а также используют как быстродействующий мультивибратор с минимальным N = 3 [10].

Работа схемы. Пусть на входе В1 в момент t1 появился единичный сигнал U1 (Uвх = U3). Вентиль В1 через τ ср переключится в нулевое состояние (U1 = U0 = 0) в момент t2. Но U1 является входным сигналом вентиля В2, который переключится тоже в течение τ ср в единичное состояние (U2 = U1) в момент t3. U2 является входным сигналом вентиля В3, который через τ ср в момент t4 переключится в нулевое состояние (U3 = Uвх = U0 = 0). Изменение сигнала Uвх в момент t4 вызовет новое переключение всей цепочки в течение следующих трех τ ср (t5, t6, t7), после чего вся цепочка возвратится в исходное состояние, т.е. закончится период повторения колебаний Т. Для кольцевого генератора на рис. 3.16, состоящего из трех инверторов,

Например, для элементов типа К531, у которых τ ср не превышает 2 нс, можно получить мультивибратор с периодом Т = 12 нс илисчастотойF около90 МГц.

Как уже указывалось, кольцевой генератор используется для экспериментального определения τ ср как усредненной вели-

БИС. В этом случае кольцевые генераторы изготавливают непосредственно на кристалле БИС и исследуемые элементы (инверторы) работают в условиях реальной БИС.

169

3.3.5. Одновибраторы

Любой из автоколебательных мультивибраторов (включая и все рассмотренные) может быть переведен в режим ждущего (заторможенного) мультивибратора – одновибратора. Для этого нужно одну мультивибраторную (времязадающую) связь заменить на триггерную (гальваническую), обеспечивающую надежное принудительное удержание одного инвертора в закрытом (или открытом) состоянии бесконечно длительное время (как в триггере). Для этого иногда требуется подавать дополнительное смещение на вход инвертора. Разумеется, эти цепи будут различаться для разных типов мультивибраторов. Так, в транзисторном MB (см. рис. 3.4,а) один из конденсаторов (C2) надо заменить резистором, а на вход транзистора (VT2), к базе которого был подключен удаляемый конденсатор, подать запирающее смещение (– Eсм), резистор R2 удалить.

Более подробно в качестве примера рассмотрим одновибратор на элементах И– НЕ (ТТЛ), который можно получить из MB– И– НЕ (см. рис. 3.9,а). На базе этого мультивибратора может быть получено несколько вариантов одновибраторов [8, 9]. Схема одного из вариантов приведена на рис. 3.17,а (приведены разные начертания схемы одного OB). Рассматриваемая схема имеет следующие отличия от MB– И– НЕ на рис. 3.9,а:

а) в ней удалена одна времязадающая цепь RC. Выход B2 подключен прямо к одному из входов B1 (Uвх1.1 = Uвых2);

б) в вентиле В1 введен второй, управляющий, вход Вх.1.2,

на который подается внешний запускающий импульс Uу. Резистор R другим концом подключен к нулевому выводу (корпусу), а не к выходу B1.

Рассмотрим работу этой схемы.

Режим ожидания. В режиме ожидания (покоя) вентиль B2 принудительно удерживается в закрытом состоянии. Для этого величина резистора R выбирается небольшой, чтобы уста-

170