4.2. Релаксационные схемы на логических элементах
Релаксационные схемы на дискретных транзисторах в настоящее время почти вышли из употребления. Теперь они реализуются на интегральных логических схемах, о которых и говорится в этом разделе.
4.2.1 Одновибратор
Нетрудно получить короткие импульсы длительностью, равной нескольким временам срабатывания логического элемента, с помощью схемы, представленной на рис. 4.3. Пока входная переменная x = 0, на выходе логического элемента И имеет место 0. При x = 1 на выходе элемента И сохраняется единица, пока сигнал проходит цепочку инверторов. При обращении сигнала в 0 условие справедливости «И» перестает выполняться.
Р
ис.
4.3. Одновибратор с коротким
временем срабатывания.
Длительность включения te равна суммарному времени прохождения сигнала в инверторах.
Р
ис.
4.4 иллюстрирует прохождение сигнала.
Длительность выходного импульса равна
задержке в цепочке инверторов и задается
соответствующим нечетным числом
логических элементов. Как видно из рис.
4.4, в этом одновибраторе пусковой сигнал
должен сохраняться, пока длится выходной
импульс.
Рис. 4.4. Временная диаграмма сигнала;
t1 = время прохождения сигнала для
логического элемента И.
Задерживающая цепочка становится слишком громоздкой, когда требуются большие длительности включения. В таком случае выгоднее применять интегральные одновибраторы, длительность включения которых задается внешней RC-цепочкой.
Если на рис. 4.3 элемент И заменить элементом Исключающее ИЛИ–НЕ, получим одновибратор, который выдает импульсы при прохождении фронта каждого входного сигнала. В стационарной ситуации входы элемента Исключающее ИЛИ–НЕ комплементарны и выходной сигнал равен нулю. При изменении состояния входной переменной x на этом элементе благодаря задержке за счет инверторов возникают одинаковые входные сигналы. В указанный период выходной сигнал равен единице.
4.2.2. Мультивибратор
Простой мультивибратор из двух инверторов представлен на рис. 4.5. Пусть сигнал x пребывает в состоянии 1, а y – в состоянии 0. Тогда конденсатор C будет заряжаться через резистор R, пока потенциал V не превысит уровень порога переключения VS логического элемента G1. Тогда x перейдет в состояние 0, а y – в состояние 1. При этом потенциал V скачком возрастет на амплитуду выходного сигнала. Наконец, конденсатор станет разряжаться через резистор R, пока вновь не достигнет порога переключения.
Р
ис.
4.5. Мультивибратор с двумя инверторами;
период колебаний T = 2…3 RC.
Временная диаграмма напряжения приведена на рис. 4.6. Если порог переключения лежит посредине между выходными уровнями, период колебаний составляет
T = 2RC ln 3 ≈ 2,2RC.
Рис. 4.6. Временная диаграмма сигнала;
порог переключения VS
В практических схемах это условие обычно выполняется лишь приближенно. Отклонение от указанного выражения связано с тем, что вход логического элемента G1 нагружает RC-цепочку. У маломощных ТТЛ схем с барьером Шоттки диапазон допустимых значений сопротивления R невелик: R = 1…3,9 кОм. Применение КМОП элементов позволяет использовать высокоомные резисторы R, что обеспечивает сравнительно длительные периоды колебаний. Однако в этом случае на входе логического элемента G1 приходится включать гасящий резистор с тем, чтобы нагрузка RC-цепочки оставалась высокоомной. Проблема состоит в том, что защитная цепь на входе G1 начинает проводить ток, как только V окажется выше напряжения питания или ниже потенциала земли. На рис. 4.7 представлена схема, свободная от указанной проблемы. Конденсатор C через сопротивление резистора R заряжается до уровня выключения триггера Шмитта, а затем вновь разряжается до уровня его включения. По диаграмме на рис. 4.7 видно, что напряжение на конденсаторе колеблется между указанными уровнями. В случае маломощных ТТЛ схем с барьером Шоттки сопротивление R должно быть достаточно малым, чтобы не препятствовать протеканию входного тока ниже уровня включения. Подходящие номиналы лежат в интервале от 220 до 680 Ом. У КМОП триггеров Шмитта данное ограничение отсутствует.
Рис. 4.7. Мультивибратор с триггером Шмита и временная диаграмма его работы; период колебаний: T = 1,4…1,8 RC (ТТЛ); T = 0,5…1 RC (КМОП с питанием 5 В).