16. Цифровые устройства на КМОП ИС

1.Цифровые устройства на кмоп ис

16.1. Формирователи импульсов

Основное назначение формирователей импульсов состоит в том, чтобы преобразовывать входные сигналы произвольной формы в нормализованные по амплитуде и крутизне фронтов прямоугольные импульсы для управления последующими ИС. Увеличение крутизны пологих фронтов и преобразование синусоидального напряжения в прямоугольные импульсы могут служить примерами формирования.

Рис. 16.1. Формирователь импульсов: схема (а); диаграмма работы (б)

Простой формирователь импульсов можно собрать на основе ЛЭ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (рис. 16 .1, а). Диаграмма работы этого формирователя приведена на рис. 16 .1, б. Длительность формируемых импульсов определяется временем задержки сигнала в первом ЛЭ. При х₁= 0 ЛЭ DD1.1 работает как повторитель, а при х₁= 1 – как инвертор. В результате на выходе формируются в первом случае узкие импульсы длительностью несколько десятков наносекунд, а во втором – широкие импульсы. В качестве инверторов и повторителей могут быть использованы другие ЛЭ.

16.2. Формирователи задержек импульсов

16.2.1. Формирователи малых задержек импульсов

При последовательном соединении n одинаковых ЛЭ возможно формирование задержки на несколько сотен наносекунд. Общее время задержки при этом равно

, ,

где , – время задержки распространения сигнала в ЛЭ при переходе его на выходе ЛЭ из 0 в 1 и наоборот. Следует учитывать, что в КМОП ИС , уменьшаются при увеличении напряжения питания.

16.2.2. Формирователь задержки на основе rc-цепи

Такие формирователи (рис.  16 .2, а) широко применяются при задержках 1-20 мкс. В соответствие с диаграммой работы этого преобразователя (рис.  16 .2, б) при среднем напряжении переключения ЛЭ U_п. ср время задержки находят по формуле

; .

Учитывая, что напряжение переключения ЛЭ находится в пределах , а получаем

.

Рис. 16.2. Формирователь задержки на основе RC-цепи: схема (а), диаграмма работы (б), схема формирователя импульсов (в)

Преобразуем схему (рис. 16 .1, а) путем добавления RC-цепи последовательно с входом DD1.1, получим схему (рис.  16 .2, в). Эта схема может обеспечивать задержки более 20 мкс. Однако при таких задержках следует учитывать тот факт, что скорость изменения напряжения на конденсаторе мала. Это может вызвать увеличение сквозного тока через открытые p- и n-канальные транзисторы ЛЭ и соответственно потребляемой мощности. Форма выходного сигнала при этом на выходе DD1.1 будет существенно отличаться от прямоугольной. В принципе схема будет работать без повторителя DD1.1, который необходим для улучшения крутизны фронта и среза выходного сигнала у формирователя.

16.2.3. Формирователь задержки с пос

Чтобы исключить сквозные токи в ЛЭ и улучшить крутизну фронтов импульсов, в формирователях задержки (ФЗ) используют несимметричные триггеры (рис.  16 .3, а). Рассмотрим работу такого ФЗ при подаче на его вход напряжения экспоненциальной формы, то есть с RC-цепи (рис.  16 .3, г). В интервале времени 0…t₁ при в соответствии с эквивалентной схемой ФЗ (рис.  16 .3, б) имеем

,

откуда

. (16.17)

Рис. 16.3. Формирователь задержки на основе несимметричного триггера:

схема (а); эквивалентные схемы для интервалов времени: 0…t₁ (б), t₁...t₂ (в);

диаграммы работы (г); передаточная характеристика (д)

В момент времени t₁ напряжение , где – напряжение переключения повторителя DD1.1, – напряжение на входе повторителя. При этом скачком увеличивается, и его часть через резистор R2 передается на вход повторителя, в результате чего осуществляется лавинообразный процесс переключения. Скорость изменения напряжения резко возрастает. Входное напряжение в момент t₁ переключения при замене в (16.17) на оказывается равным

; где: .

В интервале времени t₁...t₂ , при этом эквивалентная схема ФЗ соответствует рис.  16 .3, в. Резисторы R1, R2 включены последовательно и через них протекает ток I:

,

откуда

. (16.17)

В момент времени t₂ . Заменяя в (16.17) на , получаем

.

Особенностью несимметричного триггера является наличие петли гистерезиса в его передаточной характеристике (рис.  16 .3, д), обусловленной ПОС. Ширина петли гистерезиса определяется выражением

.

Учитывая, что для КМОП ИС, получаем упрощенные формулы

; .

Если в схеме (рис.  16 .2, в) на повторителе DD1.1 изобразить несимметричный триггер, то получим схему универсального формирователя импульсов с ПОС (рис. 16 .4). Для уменьшения влияния резистора R1 на ширину петли гистерезиса целесообразно его значение выбирать из условия: . Если формирователь импульсов конструировать в виде ИС, то увеличение количества резисторов не ухудшит надежность и массогабаритные характеристики устройства.

Рис. 16.4. Формирователь импульсов с ПОС