книги / Справочник по микроэлектронной импульсной технике

Принципиально Т-триггер можно построить на основе любого из рассмотренных синхронных триггеров (RS, JK и D). Это достигается путем создания обратной связи с выхода триггера на его информационные входы. При действии тактового импульса, подаваемого на вход С, триггер переключается в состояние, соответствующее сигналам на его информационных входах. Выходы триггера соединяют с информационными вхо­ дами таким образом, что поступившая на входы после переключения триггера информа­ ция при действии следующего тактового импульса приведет к переключению триггера в инверсное предыдущему состояние. Чтобы во время действия тактового импульса новая информация с выходов триггера не поступала на его входы, в цепи обратной связи не­ обходимо включать линии задержки, время задержки которых должно удовлетворять условию

> ^з.д >

где Тт и tH— соответственно период и длительность следования тактовых импульсов.

переключится в единичное состояние. Для переключения его в нулевое состояние необ­

ходимо прямой выход Q соединить с входом R, тогда при Q = 1 (Q = S = 0) триггер переключится в нулевое состояние. При использовании D -триггера достаточно вход D

через линию задержки соединить с выходом Q.

Включать в цепи обратной связи линии задержки нецелесообразно из-за значитель­ ных габаритов, поэтому для построения Т-триггеров используют двухступенчатые триг­ геры, у которых новая информация на выходе появляется как раз после окончания дей­ ствия тактового импульса. Обычно Т -триггеры строят на основе двухступенчатых

или D-триггеров.

У //С-триггера при J = К = 1 = Q1, т. е. каждым тактовым импульсом триг­ гер переключается в инверсное состояние. Таким образом, достаточно соединить входы J и К, подав на них единичный потенциал, а в качестве*входа Т использовать вход син­ хронизации С, и //С-триггер будет работать как асинхронный Т-триггер (рнс. 2.33, а, б).

Для построения асинхронного Г-триггера на основе двухступенчатого D -триггера необходимо соединить вход D с инверсным выходом Q триггера (рис. 2.33, г), тогда D 1=

= Q* и Q*-*"1 = D* = Q*t т. е. и в этом случае при подаче на вход С тактового импульса триггер переключается в инверсное состояние. Временные диаграммы, характеризующие работу Т-триггера на основе D -триггера, показаны на рис. 2.33, д.

Как видно из рис. 2.33, б, б, при прямом входе синхронизации триггер переключает­ ся при переходе информации Г из 1 в 0. Следовательно, относительно информационного входа Т такие триггеры целесообразно рассматривать как триггеры с инверсным

51

Т-входом и обозначать как одноступенчатые (рис. 2.33, в), чтобы исключить задержку между моментом смены входной информации и переключением выходной ступени. Если же у исходного триггера вход синхронизации инверсный, то построенный на его основе Т-триггер следует рассматривать с прямым Т-входом.

Функции переходов Т-триггера с инверсным Т-входом описываются выражениями

Следовательно, у триггера с инверсным информационным входом на инверсном выходе получаем такой сигнал, как у триггера с прямым Т-входом на прямом выходе. Эта осо­ бенность асинхронных Т-триггеров имеет важное значение при соединении триггеров между собой в двоичных счетчиках.

Для построения синхронного Т-триггера на основе У./(-триггера на объединенный JK -вход подают информационный сигнал Т (рис. 2.34, а). Если Т-вход прямой, то в слу­ чае Т = J = К = 1 при поступлении тактового импульса триггер должен переключать­ ся в инверсное состояние, а при Т = J = К = 0 — сохранять свое состояние неизмен­ ным (рис. 2.34, б). В триггере с инверсным Т-входом переключение происходит, когда

ся в нулевое состояние, в то время как в соответствие с логикой работы Т-триггера при Т = 0 он должен сохранять свое состояние неизменным.

Удобно строить синхронный Т-триггер на основе D -триггера и одноразрядного ком­ бинационного сумматора. Такой сумматор имеет три входа и два выхода Р и 5. На выходе

рис. 2.35, а. Чтобы отличить обозначение выхода 5 сумматора от установочного 5-входа D -триггера, установочные входы обозначены через 5у и Ry.

Как видно из рис. 2.35, а, один из входов сумматора задействован в цепи обратной связи и связан с прямым выходом Q D-триггера. Второй вход использован в качестве входа Т-триггера, а на третий вход г подаются постоянные нулевой или единичный по­ тенциалы.

52

единичный потенциал, независимый от Q. В связи с этим состояние D-триггера определя­ ется только потенциалом на выходе Q. Выход Р можно использовать для соединения триг­ геров между собой, например в счетчиках. То обстоятельство, что в зависимости от сиг­ нала 2 инвертируется информационный вход Т-триггера, используется в ряде специаль­ ных применений, например, в реверсивных синхронных счетчиках, для построения которых на Т-триггерах, использующих «//(-триггеры, требуется значительное количест­ во дополнительных логических элементов. Временные диаграммы триггера показаны на рис. 2.35, б.

Глава 3

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВАХ

1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ И ПОКАЗАТЕЛЬ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Импульсными называются устройства генерирования, формирования и преобразова­ ния импульсных сигналов (импульсов).

Устройства генерирования импульсов почти прямоугольной, пилообразной, трапеце­ идальной, треугольной и других форм называются генераторами импульсов или импульс­ ными генераторами. В зависимости от режима работы они делятся на автоколебательные (автогенераторы), работающие в режиме синхронизации (синхронизированные) и затор­

моженные.

Для устройств генерирования характерно наличие внешней или внутренней поло­ жительной обратной связи, обусловливающей возможность их самовозбуждения и скоро­ течный (лавинообразный) процесс перехода активных элементов генератора из одного крайнего (закрытого, открытого) в другое (открытое, закрытое) состояние. Во время такого лавинообразного процесса происходит быстрое (скачкообразное) изменение напря­ жения, действующего на некоторых элементах генератора.

Автогенераторы импульсов после самовозбуждения генерируют импульсы, парамет­ ры которых (амплитуда, частота повторения, длительность, скважность) определяются только параметрами схемы генератора.

Заторможенные (ждущие) генераторы генерируют импульсы, период повторения которых определяется периодом повторения запускающих импульсов. Остальные пара­ метры импульсов зависят только от параметров схемы генератора.

В режиме синхронизации генератор вырабатывает импульсы, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего напряжения. Поэтому такие генераторы часто используются в качестве делителей частоты.

Наряду с импульсными генераторами, вырабатывающими одну или две последова­ тельности импульсов, находящихся в противофазе, применяются генераторы, предназна­ ченные для получения нескольких импульсных последовательностей, сдвинутых друг относительно друга на некоторую произвольную величину, в общем случае не равную 180°. Такие генераторы называются генераторами многофазных импульсов или просто многофазными.

53

Принцип построения импульсных генераторов основан на использовании усилителейчетырехполюсников с положительной обратной связью или двухполюсников, вольтамперная характеристика которых имеет падающий участок, обусловливающий отрица­ тельное дифференциальное сопротивление двухполюсника. Временные параметры импульсов определяются не столько параметрами активного четырехполюсника или двухполюсника, на которых выполнен генератор, сколько параметрами специально ис­ пользуемых времязадающих (хронирующих) цепей. В качестве времязадающих исполь­ зуются емкостно-резисторные или индуктивно-резисторные цепи, линии задержки и ко­ лебательные контуры. Применение катушек индуктивности в качестве элемента времязадающей цепи в микроэлектронных импульсных устройствах нецелесообразно из-за плохой технологичности катушек.

Импульсный генератор состоит из источника питания, времязадающей цепи, по­ рогового элемента и ключа. Протекающие в импульсном генераторе процессы в простей­ шем случае объясняются следующим образом. Под действием источника питания проис­ ходит запасание энергии (заряд) времязадающей цепи. Когда напряжение или ток ее достигнет порогового значения, сработает пороговый элемент. Ключ перейдет из одного состояния в другое, противоположное первоначальному. После этого времязадающая цепь разряжается. В момент, когда она разрядится до порогового значения, снова произойдет изменение состояния ключа и т. д. Различные типы генераторов отличаются друг от друга видами времязадающих цепей, пороговых и ключевых элементов, а также видами мед­ ленных переходных процессов во времязадающих цепях, от которых зависит длитель­ ность импульсов или их период следования.

Устройства формирования импульсов могут быть активными или пассивными и слу­ жат для получения импульсов определенной формы из перепада (ступеньки) постоянного напряжения или тока. К устройствам формирования относятся различные пассивные формирующие цепи (двухполюсники и четырехполюсники), колебательные контуры удар­ ного возбуждения, а также формирователи напряжения.

Устройства преобразования импульсов — пассивные или активные электрические цепи. Они применяются для получения импульсов одной формы из импульсов другой фор­ мы или для получения импульсов с одними параметрами из импульсов с другими пара­ метрами без изменения их формы. К преобразователям относятся укорачивающие (диффе­ ренцирующие) и расширяющие (интегрирующие) цепи, делители частоты повторения им­ пульсов.

Качественные показатели и количественные характеристики импульсных устройств различного назначения в значительной мере зависят от вида времязадающей цепи и от характера протекающих в ней переходных процессов. В импульсных устройствах исполь­ зуются следующие переходные процессы:

разряда предварительно заряженного энергоемкого элемента (наиболее часто конден­ сатора) через резистор; конденсатор при разряде стремится разрядиться до нулевого на­ пряжения или перезарядиться, но не перезаряжается;

заряда предварительно разряженного конденсатора через резистор; остаточное (на­ чальное) напряжение на конденсаторе при этом может быть как нулевым, так и отличным от нуля;

перезаряда конденсатора через резистор; предварительно заряженный конденсатор при этом сначала разряжается до нуля, а затем заряжается до некоторого порогового на­ пряжения с противоположной полярностью (перезаряжается);

заряда (разряда) конденсаторов реостатно-емкостных времязадающих мостов; заряда, разряда и перезаряда конденсатора через токостабилизирующий двухпо­

люсник — генератор стабильного тока; в мостовых времязадающих цепях, состоящих из конденсаторов и токостабилизи­

рующих двухполюсников; заряда конденсатора током, пропорциональным напряжению на нем;

в мостовых времязадающих цепях, конденсаторы которых заряжаются (перезаря­ жаются) током, пропорциональным напряжению на конденсаторе.

Для более полной сравнительной оценки устройств с различными времязадающими процессами целесообразно ввести понятие о показателе эффективности переходного про­ цесса или импульсного устройства в целом.

Вследствие того, что одной из сложных проблем современной технологии изготовле­ ния интегральных микросхем является получение RC-цепи с большой постоянной вре­ мени, показатель эффективности должен включать в себя отношение длительности про­ цесса заряда или разряда к постоянной времени RC-цепи. Чем больше это отношение, тем при меньшей величине т = RC можно получить заданную длительность процесса (пмпульса) /,,, тем эффективнее процесс, устройство. Отношение t j т называется удель-

54

ной длительностью. Однако этого показателя недостаточно. Наряду с заданной длитель­ ностью необходимо обеспечивать и заданную ее стабильность. Поэтому показатель эффек­ тивности процесса (устройства) должен включать в себя и относительную нестабильность длительности процесса (импульса) 6/и. Таким образом, показатель эффективности опре­ деляется следующей формулой:

Показатель эффективности — величина положительная и безразмерная. Если учесть, что относительная нестабильность Ын длительности импульса составляет еди­ ницы и десятки процентов, a tHh составляет десятые доли и единицы, то показатель эффективности Э лежит в пределах нескольких единиц и десятков.

Особенность показателя эффективности устройства заключается в том, что, как пра­ вило, при увеличении удельной длительности ухудшается ее стабильность. Объясняется это тем, что увеличение удельной длительности достигается возрастанием порогового

напряжения. В этом случае нестабильность порогового напряжения вызывает значитель­ ную нестабильность длительности процесса. Поэтому при расчете импульсных устройств, в особенности генераторов, выполняется оптимизация их параметров, обеспечивающая максимум показателя эффективности.

Если необходимости в получении большой удельной длительности нет и постоянная времени времязадающей цепи может быть большой, в качестве критерия оптимальности устройства целесообразно использовать стабильность длительности импульса или час­ тоты повторения импульсов. При этом, если рассчитывается генератор, порог срабаты­ вания чувствительного (порогового) элемента которого может быть изменен, необходимо оптимизировать порог и постоянную времени времязадающей цепи. Оптимальное значе­ ние порога и постоянной времени этой цепи существует потому, что заданную длитель­ ность импульса, например при заряде, можно получить при малой постоянной времени и большом пороге Unl (рис. 3.1, а) или при большой постоянной времени и малом пороге

Un2. Но в обоих случаях стабильность длительности при нестабильном пороге будет

невысокой, поскольку крутизна кривой времязадающего напряжения мала. Существует такое оптимальное значение постоянной времени и соответствующий оптимальный порог "п opt, при которых эта крутизна и, следовательно, стабильность будут наивысшими.

Если порог срабатывания устройства постоянен, оптимизацию параметров времязадаю­ щей цепи выполнить нельзя.2

2, ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ РАЗРЯДА, ЗАРЯДА И ПЕРЕЗАРЯДА КОНДЕНСАТОРА ЯС-ВРЕМЯЗАДАЮЩЕЙ ЦЕПИ

При изучении переходных процессов интерес представляет закон изменения напря­ жения (тока), длительность процесса, его стабильность и эффективность. При оценке стабильности длительности процесса необходимо учитывать один из наиболее существен-

55

ных дестабилизирующих факторов, каким является нестабильность порогового напряже­ ния или тока, определяющего момент окончания процесса. При анализе процесса в раз­ личных импульсных устройствах учитываются и другие дестабилизирующие факторы.

Длительность переходного процесса во времязадающей цепи первого порядка опре­ деляется выражением

^пр — ^ {Iх (°°) х (0)]/[х (оо) х (/пр)1}» (3.2) гдет — постоянная времени времязадающей цепи; х (оо), л: (0) и лс (/пр) — значения иссле­

тельно заряженного конденсатора иллюстрируется временной диаграммой на рис. 3.1, б, из которой видно, как изменяется напряжение на конденсаторе, предварительно заря* женном до Е0 и стремящемся перезарядиться до напряжения Е противоположной поляр­ ности. Процесс заканчивается в момент /пр, когда напряжение и достигает порогового

откуда после умножения числителя и знаменателя дроби под знаком логарифма на (1 + + уп) получим

Д'пр = /пр - Т In ^ 1 + ) - /Пр = - t In ( l + j j .

56

будет иметь максимальное значение, если конденсатор при разряде перезарядится до напряжения Ynopt^* В этом случае Этах & 1,2/A*yn. Если при разряде перезаряда

не Происходит (у,, = 0), то 0,5/ДуП‘ Снижение показателя эффективности в этом случае объясняется уменьшением удельной длительности и связанным с этим повышением стабильности длительности.

Для определения оптимального порога и постоянной времени, когда в качестве покавате^я оптимальности используется стабильность длительности, необходимо с учетом вы­

уменьшается первый сомножитель величины производной и увеличивается второй. При малом х наоборот, увеличивается первый и уменьшается второй сомножитель. Максималь­

откуда t opt = /пр. Оптимальное значение порога, согласно выражению (3.4), находят вз соотношения

ln[(l + y0)/(l + Vnopt)] = 1i

отаУДа Yn opt = —°»37 ПРИ Yo = 1-

Эффективность времязадающей цепи, в которой предварительно заряженный до напряжения Е конденсатор стремится разрядиться до нулевого напряжения, зависит от длительности процесса

Относительная нестабильность длительности процесса согласно формулам (3.8) п (3.9) при этом составляет

6/пр= - Д у п/(0,151п 1/0,15).

При Ауп = 0,05 показатель Этах = 12, б/пр ^ 0,18.

При использовании в качестве критерия оптимальности стабильности длительности необходимо найти

«' (<пр) = du/dt |,= ,пр — ~ ~ Т е " 'пР/т,

откуда тор, = /пр и Уп opt» 0,37.

Из формулы (3.9) следует, что при использовании пороговых элементов, напряжение отпирания которых близко к нулю (уп = 0), нельзя использовать переходный процесс разряда предварительно заряженного конденсатора, стремящегося разрядиться до нуля. В этом случае согласно формуле (3.9) нестабильность длительности процесса становится бесконечно большой. На основании этой же формулы можно заключить, что длительность процесса не зависит от напряжения Е источника питания в том случае, когда пороговые напряжения пропорциональны напряжению Е. Полученные соотношения справедливы во всех случаях, когда времязадающее напряжение изменяется по закону, описанному выражением вида (3.3).

57

Приращение длительности процесса, вызванное приращением порога Дуп, согласно выражению (3.11)

А'пр == т In {(1 — 7о)/П — (Yn "Ь AVn)l} — 'пр*

откуда после преобразований, аналогичных тем, которые были выполнены при получе­ нии выражения (3.6),

Согласно выражению (3.1) и с учетом формул (3.11) и (3.12) показатель эффективности

откуда при Yo = 0» когда достигается максимальный показатель эффективности, Yn opt ^

Оптимальное значение постоянной времени т и порога Yn ПРИ использовении в ка­ честве критерия оптимальности стабильности длительности определяется путем макси­

показателю эффективности, таким образом, в 1,3 раза больше, чем при оптимизации по стабильности. Полученные для процесса заряда конденсатора соотношения справедливы во всех случаях, когда времязадающее напряжение имеет вид, изображенный на рис. 3.1, б.

Независимость длительности процесса от напряжения источника питания и в этом случае достигается при начальном и пороговых напряжениях, пропорциональных напря­

женный до некоторого напряжения конденсатор сначала разряжается до нуля, а затем не только стремится перезарядиться, но и перезаряжается до некоторого порогового на­ пряжения. После этого конденсатор снова разряжается и перезаряжается. Конечное на­ пряжение на конденсаторе в конце одной стадии становится начальным для другой (рис. 3.1, г). При равенстве верхнего и нижнего порогов срабатывания (7п1 = Un2 — Uп

(рис. 3.1, г) кривая и (t) становится симметричной относительно оси абсцисс и при тх = = та = т получаем /пр1 = <пр2 = tnp.

5(3

Закон изменения напряжения в течение стадии, например, уменьшения напряжения Имеет вид

и(() = (ип + Е )е- < 1 '- Е ,

Воспользовавшись преобразованиями, аналогичными тем, которые были использо­ ваны при получении выражения (3.6), из формулы (3.14) найдем следующее выражение

Улучшения показателя процесса перезаряда можно достигнуть, если времязадающий перезаряжающийся конденсатор включить между двумя точками, потенциалы ко­ торых во время очередного опрокидывания генератора скачкообразно меняются от + £ до —Е и от —Е до + £ . Если потенциал одной точки изменился от + £ до —Е, то у вто­ рой — от —Е до + £ . В этом случае в режиме установившихся колебаний генератора конденсатор стремится перезарядиться до напряжения, равного не £ , как в предыдущем случае, а 2Е (рис. 3.1, д).

59

Пороговое напряжение в этом случае может иметь как положительную, так и отрицатель­ ную полярность и, следовательно, коэффициент уа может изменяться в пределах от + 1 до —1.

Относительная нестабильность для этого процесса

нестабильности длительности импульса для рассматриваемого времязадающего напряже* ния (рис. 3.1, д) рассчитываются с помощью производной

ваемом случае прекращается в момент, когда потенциал одной из обкладок конденсатор а становится равным пороговому Un, а потенциал другой в течение всего процесса остается постоянным и равным Е. Длительность этого процесса

При оптимизации по стабильности длительности в этом случае получим /пр — тор1, а согласно выражению (3.21) Yn oPt = °>48.

60