Учебное пособие 800343

схемы сравнения, то реальные характеристики ИЛЭ аппроксимируются без учета их динамического участка (рис. 4.3, в).

Параметры ИЛЭ ТТЛ определенные в соответствии с принятыми аппроксимациями характеристик приведены в табл. 4.1, здесь К=Е1вых/(U1п- U0п), Uп=(U1п-U0п)/2 пороговое напряжение соответствующее середине активного участка проходной характеристике ИЛЭ ТТЛ.

Кроме того, в таблице приведены некоторые другие важные параметры ИЛЭ ТТЛ максимально допустимая величина входного напряжения Uвх max, минимально допустимая величина входного напряжения отрицательной полярности Uвх min, максимально допустимый выходной ток Iвых mах элемента, максимальная частота переключения fmах, максимальная потребляемая мощность Pпот (для одного ИЛЭ). В табл.1.1.1 приведены типовые значения параметров ИЛЭ ТТЛ серий: стандартной (К155), высокого быстродействия (130), микромощной (134), с диодами Шоттки (К531), необходимые для анализа и расчета импульсных устройств при принятых выше аппроксимациях их характеристик.

Таблица 4.1

Типовые значения параметров ИЛЭ ТТЛ серий

4.1.4. Мультивибраторы на интегральных логических элементах транзисторно-транзисторной логики с резисторно-емкостными обратными связями

Мультивибратор с перекрестными резисторно-емкостными обратными связями на ИЛЭ И-НЕ ТТЛ (рис. 4.4), в котором реализуется ВЗЦ вида 1, наиболее прост в исполнении и является аналогом транзисторного мультивибратора с коллекторно-базовыми связями. В состав мультивибратора входят: два инвертора на двухвходовых ИЛЭ И-НЕ DD1.1, DD1.2, резисторы R1, R2 и конденсаторы С1, C2 ВЗЦ, защитные (демпфирующие) диоды VD1 и VD2.

41

постоянной времени τ1, стремясь к нулевому уровню. Когда напряжение Uвх2 достигнет порогового значения U1п, ниже которого дальнейшее уменьшение входного напряжения приводит к увеличению выходного напряжения инвертора ТТЛ, в мультивибраторе развивается регенеративный процесс, при котором состояния элементов DD1.1 и DD1.2 изменяются на противоположные (t=t1 на рис. 4.5). Скачкообразное уменьшение выходного напряжения U1вых ИЛЭ DD1.1 вызывает уменьшение входного напряжения Uвх2, что приводит к быстрому разряду конденсатора С1 через открытый диод VD1, а затем к его перезаряду входным вытекающим током ИЛЭ DD1.2 через резистор R1 при закрытом диоде VD1. Входное напряжение Uвх2 при этом возрастает до значения Uвх(tи), определяемого моментом окончания процесса заряда конденсатора С2 с постоянной времени τ2 в противоположной ветви мультивибратора (t=t2 на рис. 4.5). Таким образом, процессы периодически повторяются и на выходах ИЛЭ DD1.2 формируются два изменяющихся в противофазе импульсных напряжения с длительностями tи1 и tи2 (рис.1.1.5).

Количественный анализ работы мультивибратора производится при принятой аппроксимации реальных характеристик ИЛЭ ТТЛ (рис.1.1.3, б) и защитных диодов (рис. 4.6).

iD

0 uD uD

Рис. 4.6. Кусочно-линейная аппроксимация ВАХ диодов мультивибратора

Так как на протяжении всего времени заряда конденсатора С2 (С1) и перезаряда конденсатора C1 (C2) ИЛЭ DD1.2 (ИЛЭ DD1.1) должен находиться в единичном состоянии, его входное напряжение Uвх2 (Uвх1) не должно превышать порогового уровня U1п, следовательно, сопротивление времязадающего резистора R1 (R2) должно быть достаточно малым.

Для определения граничных значений сопротивлений резисторов R1 и R2 необходима эквивалентная схема входной цепи ИЛЭ (например, DD1.2 на рис. 4.7), находящегося в единичном состоянии, где особенности его входной характеристики учтены идеальным источником тока I1вх и входным сопротивлением R1вх.

При отсутствии колебаний в мультивибраторе (например при С1=0), входное напряжение Uвх2=U1вх имеет положительную полярность и определяется соотношением

Рис. 4.7. Эквивалентная схема входной цепи ИЛЭ мультивибратора, находящегося в единичном состоянии

Так как единичное состояние ИЛЭ обеспечивается при U1вх<U1п, то с учетом соотношения (1.1.1) находим выражение, ограничивающее максимально допустимое значение сопротивлений времязадающих резисторов

Если при выборе сопротивлений навесных резисторов R1 и R2 ограничиться выражением (1.1.2), то при определенных условиях в мультивибраторе может наступить жесткий режим возбуждения, когда после включения источника питающего напряжения оба инвертора оказываются в единичном состоянии.

Для устранения такого режима необходимо выполнить условие Uвх1>U0п,

При выполнении последнего условия рабочие точки обоих ИЛЭ оказываются на динамических участках передаточных характеристик и, следовательно, даже небольшое различие в коэффициентах усиления К приводит к одному из двух квазиустойчивых состояний, когда на выходе одного ИЛЭ устанавливается высокий уровень выходного напряжения, а на выходе другого низкий. Самовозбуждение мультивибратора в этом случае будет мягким.

Если за время t < tи2, где tи2 - временной интервал, определяемый времязадающей цепью R2, С2, напряжение Uвх2(t) превысит значение U0п, то произойдет искажение формы выходных импульсов мультивибратора (рис.4.8), причем искажение тем сильнее, чем больше напряжение Uвх2(t) превышает значение U0п.

На рис.4.8 Uвых2=f(Uвх2) передаточная характеристика ИЛЭ DD1.2 в соответствии с принятой аппроксимацией, Uвых2(t) форма выходного напряжения Uвых2 мультивибратора.

Для устранения искажения формы выходных импульсов мультивибратора необходимо выполнить следующие условия: Uвх2 (t = tи2) < U0п, Uвхl (t = tи1) <U0п. Тогда, с учетом выражений (1.1.1) и (1.1.4),

tи1 ( R1 R1вх) С1 ln (I1вх ( R1 R1вх) +UD )/ (I1вх ( R1 R1вх)-U0п)

(4.5)

tи2 ( R2 R1вх) С2 ln (I1вх ( R2 R1вх) +UD )/ (I1вх ( R2 R1вх)-U0п)

44

Так как, согласно выражениям (4.5), величины Uвх1(tи1) и Uвх2(tи2) для обеспечения неискаженной формы выходных импульсов мультивибратора должны быть меньше U0п, то формулы (4.7) и (4.8) заменяются приближенными соотношениями

4.2. Импульсные устройства на интегральных логических элементах типов КМОП и МОП

4.2.1. Особенности работы интегральных логических элементов на МОПструктурах в импульсных устройствах

Основные достоинства ЦИМС на МОП-структурах большие входные сопротивления МОП-транзисторов (Rm>1012 Ом) и высокий уровень интеграции.

При выполнении импульсных устройств на ИЛЭ типа МОП и КМОП сопротивления времязадающих резисторов, вследствие высоких входных сопротивлений МОП-транзисторов, не ограничены сверху. Поэтому для получения импульсов с большими длительностями не требуется увеличивать емкости времязадающих конденсаторов.

Получение импульсов с высокой частотой повторения затруднено, вследствие низкого быстродействия МОП-структур. Для формирования временных интервалов с микросекундными длительностями следует применять специальные схемы импульсных генераторов на ИЛЭ типа МОП и КМОП.

Несколько лучшим быстродействием по сравнению с ИЛЭ на р-канальных МОП-транзисторах обладают ИЛЭ типа КМОП, так как перезаряд их паразитных емкостей происходит через открытый транзистор n- или р-типа. Наряду с более высоким быстродействием ИЛЭ типа КМОП потребляют меньше энергии, чем ИЛЭ типа МОП с р-каналом.

Отмеченные недостатки МОП- и КМОП-структур устраняются в ИМС на n- канальных МОП-транзисторах, МОП-транзисторах (выполненных по методу двойной диффузии) и КМОП-транзисторах с V-образной канавкой, задержка переключения которых около 1 нc.

Анализ ИУ на ИЛЭ типа МОП и КМОП производится с учетом передаточных и нагрузочных характеристик ИЛЭ. Типовые передаточные характеристики ИЛЭ с инверсией типа КМОП показаны на рис. 4.10, а, типа МОП с р-каналом - на рис. 4.10, б.

46

Рис. 4.10. Типовые передаточные характеристики ИЛЭ: с инверсией типа КМОП (а); типа МОП с p-каналом (б)

Выходные характеристики, снятые для ненагруженных ИЛЭ типа КМОП и МОП при переходе из единичного состояния в нулевое и наоборот, изображены на рис. 4.11, а и б соответственно.

Рис. 4.11. Выходные характеристики, снятые для ненагруженных ИЛЭ типа КМОП и МОП при переходе из единичного состояния в нулевое (а) и наоборот (б)

Импульсные устройства на ИЛЭ с МОП-структурой рассчитываются при принятых кусочно-линейных аппроксимациях передаточных характеристик ИЛЭ типов КМОП и МОП (рис. 4.12, а, б), где использованы следующие обозначения; Е1вых уровень выходного напряжения ИЛЭ типа КМОП, соответствующий его единичному состоянию (рис. 4.12, а); Uп - значение входного порогового напряжения ИЛЭ типа КМОП, соответствующее переходу его из единичного состояния в нулевое и наоборот (рис. 4.12, а); Е0вых - уровень выходного напряжения отрицательной полярности ИЛЭ типа МОП в нулевом состоянии (рис. 4.12, б); U0п и Ulп значения входных пороговых напряжений (рис. 4.12, б) ИЛЭ типа МОП, соответствующие переходу его в нулевое и единичное состояния при аппроксимации передаточной характеристики с учетом коэффициента усиления К = E0вых/(U0п - U1п); Uп значение входного порогового напряжения ИЛЭ типа МОП без учета динамического участка передаточной характеристики (рис. 4.12, б).

47

напряжения микросхем DD1.1 и DD1.2. Диоды VD1 и VD2 предохраняют логические элементы от перенапряжения по входам и обеспечивают быстрый разряд времязадающих конденсаторов С1 и С2.

Рис. 4.13. Схема мультивибратора на ИЛЭ типа КМОП с перекрестными резисторно-емкостными обратными связями, выполненными на элементах И-НЕ

Примененные в генераторе интегрирующие RС-цепи (ВЗЦ вида 2) обеспечивают лучшие показатели мультивибратора на ИЛЭ типа КМОП по относительной нестабильности и эффективности, чем дифференцирующие RCцепи (ВЗЦ вида 1, рис. 4.1).

Мультивибратор работает следующим образом. Пусть ИЛЭ DD1.1 установился в единичное, а ИЛЭ DD1.2 в нулевое состояние, что соответствует моменту времени t = t1 на временных диаграммах напряжений (рис. 4.14).

Uвх2

Конденсатор С2 при t > t1 заряжается от источника +Е через резистор R2 и выход ИЛЭ DD1.2. В момент времени, когда напряжение на конденсаторе С2, а следовательно, и входное напряжение Uвх1 элемента DD1.1 достигает значения Uп, инверторы DD1.1 и DD1.2 изменяют свои состояния на противоположные (t=t1 на рис. 4.14). В дальнейшем, при t > t2 , конденсатор С1 заряжается с постоянной времени τ1 от источника +E через резистор R1, выход ИЛЭ DD1.1, находящегося в нулевом состоянии. При достижении входным напряжением Uвх2 элемента DD1.2 значения Uп,, инверторы почти мгновенно возвращаются в исходные состояния (t = t3). Длительности генерируемых мультивибратором импульсов tи1=t12 и tи2=t23 таким образом определяются временами заряда конденсаторов С2 и

49

С1. Без учета падений напряжения (UD>>E1вых) на смещенных в прямом направлении диодах при принятой на рис. 4.12, а кусочно-линейной аппроксимации передаточной характеристики и при R1, R2>>Rвых, длительности выходных импульсов

Максимальные сопротивления времязадающих резисторов R1 и R2, ввиду большого входного сопротивления ИЛЭ типа КМОП (порядка десятков МОм), ограничены лишь их габаритными размерами. Минимальные значения этих

Если в качестве источника напряжения +E используется источник питания микросхем Е=9 В, то, при типовых значениях параметров микросхем типа КМОП (табл. 4.2), из выражений (4.12) определяем R1= R2 =Rmin >9 кОм.

Для увеличения частоты следования импульсов мультивибратора следует уменьшать емкости времязадающих конденсаторов С1 и С2. Однако емкости этих конденсаторов должны хотя бы на порядок превышать паразитные входные и нагрузочные емкости ИЛЭ. Разряд конденсаторов С1 и С2 через смещенные в прямом направлении диоды VD1 и VD2 вызывает резкое увеличение выходных токов ИЛЭ DD1.1 и DD1.2. Как следует из эквивалентной схемы разряда конденсаторов (рис. 4.15) и временных диаграмм напряжений (рис. 4.14),

Расчетное значение Iвых при типовых параметрах микросхем и диодов превышает паспортные значения допустимого выходного тока ряда образцов ИЛЭ типа КМОП (табл. 4.2).

Рис. 4.15. Эквивалентная схема разряда конденсаторов мультивибратора, изображенного на рис. 4.13

Следовательно, разрядный ток конденсаторов в генераторе неблагоприятно воздействует на режим работы инверторов. Один из способов уменьшения выходного тока включение последовательно с диодами VD1 и VD2 резисторов с небольшим сопротивлением (сотни Ом). Максимальное напряжение на входах ИЛЭ во время регенеративных процессов в мультивибраторе (при t=t1, t=t3 для

ИЛЭ DD1.2 и t=t2 для ИЛЭ DD1.1) Emах= E1вых+Uп 14 В, что не превышает допустимого значения этого параметра для микросхем типа КМОП (Uвх max=15В).

50