Учебное пособие 800343

Наличие двух и более входов у ИЛЭ КМОП позволяет строить на их основе мультивибраторы с двухпетлевыми обратными связями, где вторая цепь обратной связи, помимо емкостной, через времязадающие конденсаторы создается непосредственным (триггерным) включением ИЛЭ. Принципиальная схема мультивибратора с двухпетлевыми обратными связями на двухвходовых ИЛЭ ИЛИ-НЕ типа КМОП изображена на рис. 4.16. Времязадающие конденсаторы С1 и С2 в таком генераторе, в отличие от мультивибратора на ИЛЭ И-НЕ (рис. 4.13), в цепь основной положительной обратной связи не входят, и, следовательно, меньше влияют на длительности переднего и заднего фронтов выходных импульсов. В остальном принцип работы и количественные соотношения для обоих мультивибраторов одинаковы.

Рассмотренные мультивибраторы имеют жесткий режим возбуждения, обусловленный возможностью появления единичных напряжений одновременно на обоих выходах ИЛЭ после включения источника питания микросхем.

Так как динамический диапазон передаточных характеристик элементов типа КМОП мал (рис. 4.10), то избежать жесткого возбуждения генераторов путем соответствующего выбора рабочих точек на динамических участках передаточных характеристик трудно.

На рис. 4.16, б и в показаны принципиальные схемы мультивибраторов с перекрестными резисторно-емкостными обратными связями и с двухпетлевыми обратными связями на ИЛЭ ИЛИ-НЕ типа КМОП с применением автоуправляемого смещения для устранения жесткого режима возбуждения.

в г

Рис. 4.16. Разновидности схем мультивибраторов на ИЛЭ типа КМОП с перекрестными резисторно-емкостными обратными связями на элементах ИЛИНЕ

51

В указанных мультивибраторах выходные напряжения Uвых1, Uвых2 изменяются в противофазе, что обеспечивает мягкий режим возбуждения колебаний.

Жесткий режим возбуждения генераторов на ИЛЭ типа КМОП можно исключить, применяя резисторные отрицательные обратные связи и Е-триггерное включение ИЛЭ. На рис. 4.16, г, показана принципиальная схема автоколебательного мультивибратора с двухпетлевыми обратными связями на ИЛЭ ИЛИ-НЕ, где ИЛЭ DD1.1 и DD1.2 охвачены отрицательными обратными связями через времязадающие резисторы мультивибратора R1 и R2.

4.2.3. Мультивибраторы на интегральных логических элементах типов КМОП и МОП с перезарядом конденсатора времязадающей цепи

Основным недостатком мультивибраторов на ИЛЭ типа КМОП с резисторно-емкостными обратными связями является сравнительно низкая стабильность и резкое повышение выходного тока логических элементов во время разряда конденсаторов через диоды и превышение им допустимой величины Iвых mах для микросхем типа КМОП, что влияет на надежность работы генераторов. Эти недостатки можно исключить, если в качестве конденсатора времязадающей цепи (ВЗЦ) использовать RС-цепи с перезарядом конденсатора.

В такой ВЗЦ нет процесса восстановления исходного состояния и увеличивается величина времязадающего напряжения на конденсаторе, что повышает стабильность длительностей импульсов, при этом, стабильность частоты и эффективность мультивибратора па ИЛЭ типа КМОП с ВЗЦ вида 4 выше, чем с ВЗЦ вида 5. Однако в первом случае входы логических элементов подвержены воздействию больших отрицательных перепадов напряжений, образующихся на обкладках конденсатора во время регенеративных процессов в мультивибраторе.

Кроме того, входы логических микросхем типа КМОП снабжены встроенными демпфирующими диодами, подключенными катодами к затворам входных транзисторов, а анодами — к общей шине, что принципиально не позволяет обеспечить перезаряд конденсатора относительно нулевого уровня их выходных напряжений.

Вследствие этого, для построения генераторов на ИЛЭ типа КМОП с перезарядом конденсатора, следует использовать ВЗЦ с перезарядом конденсатора относительно единичного уровня выходных напряжений ИЛЭ, хотя генераторы в этом случае будут иметь несколько худшие показатели по стабильности частоты и эффективности.

Принципиальная схема мультивибратора на двухвходовых ИЛЭ И-НЕ типа КМОП с перезарядом конденсатора ВЗЦ показана на рис. 4.17, а временные диаграммы напряжений, построенные в предположении U1вых Е , U0вых 0, Е>>UD, где Е напряжение источника питания микросхем, на рис. 4.18.

52

VD2

Рис. 4.17. Схема мультивибратора на двухвходовых ИЛЭ И-НЕ типа КМОП

Рис. 4.18. Осциллограммы входных и выходных напряжений мультивибратора, изображенного на рис. 4.17

В состав мультивибратора входят два ИЛЭ DD1.1 и DD1.2, включенные по схеме RS-триггера с инверсными входами; диоды VD1 и VD2, обеспечивающие перезаряд конденсатора С через выход одного из логических элементов, находящегося в единичном состоянии, и один из времязадающих резисторов R1 или R2.

Мультивибратор работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии ИЛЭ DD1.1 установился в единичное, а ИЛЭ DD1.2 в нулевое состояния (t=t1 на рис. 4.18). При t>t1 конденсатор С перезаряжается с постоянной времени τ1 через выход ИЛЭ DD1.1, диод VD1 и времязадающий резистор R1. Напряжение Uвх2 на свободном входе ИЛЭ DD1.2 при этом экспоненциально уменьшается от Emах, стремясь к 0 (t>t1), где Emах максимальное входное напряжение, образующееся на входах триггера в результате перезаряда конденсатора в предыдущем цикле работы мультивибратора и последующего регенеративного процесса изменения состояний логических элементов.

При Uвх2 Uп дальнейшее уменьшение входного напряжения ИЛЭ DD1.2, согласно принятой на рис. 4.12, а, аппроксимации передаточной характеристики ИЛЭ типа KMОП, вызывает увеличение его выходного напряжения, что

53

tи2=[R1 (R1вых+rD)+R2]C ln[(E1вых/Uп)((R1/(R1+R1вых+rD)+R2/(R2+R1вых+rD))-1] . (4.16)

Амплитуда выходных импульсов Um мультивибратора зависит от соотношения времязадающих (R1 и R2) и выходных (R1вых и R0вых) сопротивлений ИЛЭ и определяется из нагрузочных характеристик ИЛЭ типа КМОП (рис. 4.11,

а).

4.3. Импульсные устройства на операционных усилителях

4.3.1. Общие сведения

В настоящее время известно большое количество различных вариантов генераторов импульсов прямоугольной формы на ОУ. Принцип построения их основан на том, что при соединении выхода ОУ с его неинвертирующим входом получается замкнутая резисторная или резисторно-конденсаторная цепь положительной обратной связи, обеспечивающая возможность возникновения лавинообразных процессов. Для получения пилообразного напряжения или напряжения треугольной формы в ОУ используется цепь отрицательной обратной связи между инвертирующим входом и выходом.

Импульсный генератор на ОУ можно рассматривать и как устройство, состоящее из резисторно-конденсаторного времязадающего моста (ВЗМ), в одну диагональ которого включаются входы ОУ, а его выходное напряжение подводится к другой диагонали моста. В этом случае ОУ выполняет роль компаратора с выходным напряжением почти прямоугольной формы.

Для повышения стабильности временных параметров импульсов целесообразно строить генераторы на двух ОУ, образующих RC-триггер, напряжения на выходах которого изменяются в противофазе. Включив времязадающую цепь (ВЗЦ) между этими выходами, можно обеспечить увеличение крутизны времязадающего напряжения (ВЗН) и, следовательно, повышение стабильности длительности импульса.

Однако при любом варианте построения генератора на ОУ нельзя допускать превышения максимальных значений дифференциального и синфазного входных напряжений ОУ, а также максимального выходного тока.

4.3.2. Генераторы импульсов на одном операционном усилителе

Одним из вариантов генератора на одном ОУ является генератор (рис. 4.20), в котором положительная обратная связь обеспечивается делителем R1-R2. Резистор R1 включен между выходом и неинвертирующим входом ОУ, а ВЗЦ включена так, что ее конденсатор исключает действие отрицательной обратной связи во время лавинообразного процесса.

55

Рис. 4.20. Схема мультивибратора на операционном усилителе с резистивной обратной связью

Режим автоколебаний этого генератора заключается в следующем. В момент t=0 (рис. 4.21) включаются источники питания ОУ, и пусть выходное напряжение u начнет увеличиваться, вызывая увеличение напряжения u+, что приводит к еще большему увеличению напряжения u.

Рис. 4.21. Осциллограммы входных и выходных напряжений мультивибратора, изображенного на рис. 4.20

Развивается лавинообразный процесс, в результате которого выходное напряжение u скачкообразно возрастает до величины Е, а входное u+ - до UR=γE, здесь γ=R2/(R1+R2). Напряжение u- при этом практически не изменяется и с погрешностью обратно пропорциональной коэффициенту усиления равно 0. Заряд конденсатора через резистор R вызывает увеличение напряжения u- , стремящегося к уровню Е по экспоненциальному закону. В момент t=tи1 выполняется равенство u+=u- . Выходное напряжение u при этом начинает уменьшаться до нуля и начинает менять полярность на противоположную отрицательную. Этот процесс носит лавинообразный характер и по его

56

окончании u=E, а u+=-UR. Конденсатор начинает разряжаться через резистор R, стремясь затем перезарядиться до напряжения -Е. При протекании этого процесса, когда напряжение u– достигает величины -UR, снова происходит опрокидывание ОУ. Описанные процессы периодически повторяются.

При определении длительности импульсов следует иметь в виду, что первый импульс имеет меньшую длительность tи1 (рис. 4.21), поскольку он формируется при заряде конденсатора от нуля до UR:

При генерировании второго и последующих импульсов u- (t)=(E+UR )e-t/τ - E при разряде конденсатора и u- (t) = (E +UR) (1-e-t/τ)-UR при заряде конденсатора. Оба эти

процесса протекают в течение одинаковых отрезков времени tи. Если для определения длительности tи воспользоваться законом u-(t) при заряде конденсатора, то

Период следования импульсов T =2tи=2τ1n[(1+γ)/(1-γ)] .

Скважность генерируемых импульсов при этом равна 2. Для получения скважности большей двух цепь заряда конденсатора необходимо сделать отличной от цепи разряда. Для этого между выходом и инвертирующим входом вместо резистора R включают изображенную на рис. 4.22 цепь, состоящую из двух резисторов и двух диодов: заряд протекает через один резистор, а разряд через другой. Период

где R' и R" сопротивления зарядного иразрядного резисторов соответственно.

Рис. 4.22. Цепь заряда емкости генератора, изображенного на рис. 4.20, при скважности генерируемых импульсов, неравной двум

Второй вариант генератора на одном ОУ содержит две ВЗЦ (рис. 4.23). Этот генератор можно рассматривать как двухконденсаторный ВЗМ, в диагональ которого включен компаратор, выполненный на ОУ. Положительная обратная связь в этом генераторе создается с помощью конденсатора С1, а действие отрицательной обратной связи во время лавинообразного процесса исключается с помощью конденсатора С2.

57

Рис. 4.23. Схема мультивибратора на операционном усилителе с двумя времязадающими цепями

Процессы, протекающие в схеме в режиме автоколебаний при τ1=τ2, где τ1=R1C1 , τ2=R2C2 сводятся к следующему. В момент t=0 (рис. 4.24) включаются источники питания, и пусть начинает возрастать напряжение u отрицательной полярности. Благодаря положительной обратной связи увеличение выходного

Рис. 4.24. Осциллограммы входных и выходных напряжений мультивибратора, изображенного на рис. 4.23

После окончания фронта импульса конденсаторы С1 и С2 начинают заряжаться через резисторы R1 и R2, соответственно, стремясь зарядиться до

При t=tи1 u+=u-=-Е/2, а выходное напряжение скачкообразно изменяется и достигает значения u= +Е. Зарядившиеся конденсаторы начнут разряжаться, стремясь перезарядиться до напряжения +Е.

Напряжения u+ и u- при разряде изменяются по законам u+=(3E/2)е-t/τ; u- = (3E/2)(1 –e -t/τ )-Е/2.

По этой же формуле определяются длительности последующих импульсов. Период колебаний в установившемся режиме (исключая первый импульс) T=2tи=2τ ln 3, а скважность Q = 2.

Для получения скважности Q > 2 вместо резисторов R1 и R2 необходимо применить цепи, аналогичные изображенной на рис.1.3.3. Если при этом C1 = C2, R1'=R2', R1"=R2", то τ1'=C1R1'=τ2'=C2R2=τ', τ1"=C1R1"=τ2"=C2/R2"=τ". В этом случае одинаковыми оказываются постоянные времени обоих ВЗЦ при заряде и разряде конденсаторов, так что при τ'=τ" период Т=(τ'+τ") ln 3, а скважность

Q1=1+τ'/τ" при τ'>τ".

Применять ВЗЦ с разными постоянными времен (τ1 τ2) нецелесообразно, поскольку при этом не удается получить большую скважность импульсов даже при сильном неравенстве τ1>>τ2, так как и при заряде и при разряде конденсаторов длительность импульсов будет определяться меньшей постоянной времени, а большая постоянная времени практически не реализуется.

Как видно из рис. 4.24, максимальный синфазный сигнал составляет 3E/2, а

имеет максимальное значение, равное 2Е.

Длительность импульсов определяется по формуле (4.21). Однако стабильность длительности импульса уменьшается, поскольку крутизна дифференциального входного напряжения в области нуля также уменьшается, так

Уменьшается в 1/γ раз и коэффициент усиления ИОУ при разомкнутой цепи положительной обратной связи.

5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАНИЙ

5.1. Формирование заданной логической функции

Цифровые устройства основаны на принципе многократного повторения относительно простых базовых логических схем. Связи между этими схемами строятся на основе чисто формальных методов. Инструментом такого построения служит булева алгебра, которая применительно к цифровой технике называется также алгеброй логики. Основные понятия алгебры логики приводятся в последующих разделах.

59

5.1.1. Основные логические функции

В отличие от переменной в обычной алгебре логическая переменная имеет только два значения, которые обычно называются логическим нулем и логической единицей. В качестве обозначений используются «0» и «1» или просто 0 и 1. В дальнейшем мы будем придерживаться последнего обозначения. Не следует опасаться спутать эти символы с числами 0 и 1, так как в каждом конкретном случае бывает ясно, относится ли данная запись к числу или к логическому значению.

Существуют три основные операции между логическими переменными: конъюнкция (логическое умножение), дизъюнкция (логическое сложение) и инверсия (логическое отрицание). По аналогии с алгеброй чисел в алгебре логики используются следующие обозначения операций.

Конъюнкция: y=x1 x2= x1 x2= x1 x2.

Дизъюнкция: y= x1 x2 =x1+x2.