Электронные генераторы. Фильтры учебное пособие

UК2 увеличиваться. Увеличение UК2 (на величину ∆ UК2 ) приведет к новому увеличению тока базы iБ1 транзистора VT1 и т.д.

Вступает в действие положительная обратная связь, под действием которой процесс развивается лавинообразно – происходит опрокидывание. В результате опрокидывания ток iБ1 увеличивается настолько, что транзистор VT1 переходит в режим насыщения, а ток iБ2 уменьшается до нуля, напряжение UБ2 становится отри-

цательным, и транзистор VT2 переходит в режим отсечки. Полупериод Т2 (t1≤ t ≤ t2). После опрокидывания начинает-

ся медленный процесс перезаряда емкостей в течение следующего полупериода Т2, аналогичный тому, который происходил в предыдущем полупериоде Т1, подробно рассмотренном ранее. Так, разряженный до нуля конденсатор С1 заряжается от +Еп

через RК2 и базу насыщенного транзистора VT1 (UБ1 ≈ 0 ) с посто-

янной τз из формулы (3.4). Конденсатор С2, заряженный в предыдущем полупериоде Т1 и подключенный после опрокидывания в момент t1 положительной обкладкой к коллектору насыщенного транзистора VT1 (UК1 ≈ 0 ), а отрицательной – к базе VT2, обеспечивает обратное (запирающее) напряжение на базе VT2:

UБ2 = −UС2 .

Транзистор VT2 в течение Т2 удерживается принудительно в закрытом состоянии (в режиме отсечки) до момента t2, когда напряжение UБ2 уменьшается до нуля и начинается очередное

опрокидывание МВ, в результате которого МВ вернется в первоначальное состояние. Так происходит непрерывно, и на выходах МВ формируются парафазные импульсные последовательности –

UК1 , UК2 .

141

3.2.3. Период колебаний Т и полупериоды Т1, Т2

Полупериоды Т1 и Т2 определяются процессами перезаряда емкостей от начального напряжения UС (0) до напряжения

UС (Т1) , при котором происходит переключение. Полупериоды Т1 и Т2 можно найти, используя (из ТОЭ) формулу закона изме-

где UС (0) – напряжение, от которого начинается разряд конденсатора (при t = 0), UС (∞ ) – напряжение, до которого перезарядит-

ся конденсатор, если процесс разряда-заряда не будет нарушен. Цепь разряда конденсатора С1 в течение Т1 приведена

на рис. 3.5,а, а на рис. 3.5,б показана временная диаграмма (график 1) перезаряда С1. При таких расчетах обычно считают p-n-пе- реходы транзистора идеальными [8], т.е. IБ0 = −IК0 ≈ 0 при обрат-

ном смещении и UБЭ ≈ 0 , UКБ ≈ 0 , Uпор = 0 при прямом смещении. С учетом идеальности p-n-переходов можно определить начальные и конечные условия на рис. 3.5:

Рис. 3.5

142

Подставив (3.7) в (3.6) и производя несложные преобразования, получим:

где τ 2 = R2C2 .

Для симметричного мультивибратора со скважностью, равной двум (q = 2), τ1 =τ2 =τp . Тогда

В формуле (3.8) не учтены тепловой ток IК0 при обратном смещении и пороговое напряжение Uпор на прямой ветви ВАХ. Тепловой ток IК0 , втекающий в базу ( IБ0 = IК0 ), ускоряет разряд

С1, уменьшая тем самым полупериод Т1. Уменьшение это незначительно и легко может быть скомпенсировано увеличением τр . Однако более существенно то, что ток IК0 сильно (по экспо-

ненте) зависит от температуры. Результат этого – довольно сильная зависимость Т от температуры, особенно у германиевых транзисторов. При учете тока IК0 (график 2 на рис. 3.5,б) изменяется (3.8):

143

Учет IК0 существенен для германиевых транзисторов. Учет порогового напряжения Uпор имеет некоторое значение

для кремниевых транзисторов (Uпор ≈ 0,7 В). Для них полупе-

риод заканчивается при перезаряде емкости С1 до Uпор , т.е.

UС1 (Т1) = Uпор . Учет этого в формуле (3.6) дает следующее:

3.3.Мультивибраторы на логических элементах

Вэлектронных устройствах довольно широко используются мультивибраторы на логических элементах (сокращенно – МВ– ЛЭ). Для построения МВ– ЛЭ используются базовые логические элементы ИЛИ– НЕ, И– НЕ. При закорачивании (объединении) всех входов эти ЛЭ становятся инверторами, во многом

сходными с дискретными (транзисторными) инверторами, из которых состоит транзисторный МВ, рассмотренный ранее. Это и обусловливает возможность создания МВ на тех или других ЛЭ. Имеются и различия как между дискретными МВ и МВ– ЛЭ, так и между МВ на элементах ИЛИ– НЕ и на элементах И– НЕ. Для сокращения мультивибраторы на ЛЭ ИЛИ– НЕ будут обозначаться «МВ– ИЛИ– НЕ», на ЛЭ И– НЕ – « МВ– И– НЕ».

3.3.1. Мультивибраторы на логических элементах ИЛИ–НЕ

Строго говоря, введенное ранее деление МВ (принятое, например, в работе [8]) весьма условно, так как к этой группе относят МВ, которые по построению и внутренним процессам совпадают с транзисторными (дискретными) МВ. Таковыми являются МВ на логических элементах ИЛИ– НЕ типа РТЛ, РСТЛ, ЭСЛ. Однако ЛЭ 2И–2 ИЛИ– НЕ типа ТТЛ (и ДТЛ), которые при объединении двух входов у каждого из двух элементов И становятся логическим элементом 2ИЛИ– НЕ, в эту группу не могут быть

144

включены. Даже просто элементы ИЛИ– НЕ, имеющиеся в некоторых ТТЛ-сериях, в эту группу не входят, так как у ТТЛ и ДТЛэлементов другая входная характеристика. Мультивибраторы на двух последних логических элементах относят к другой разновидности мультивибраторов – МВ– И– НЕ. Делить МВ, скорее всего, надо по типу логики. Однако при дальнейшем рассмотрении сохраним принятое деление мультивибраторов на МВ– И– НЕ и МВ– ИЛИ– НЕ с учетом сделанных выше замечаний.

Схема МВ–ИЛИ–НЕ и ее работа. На рис. 3.6,а приведена схема МВ на логических элементах ИЛИ– НЕ. Пусть это будут элементы РСТЛ. Логические элементы ИЛИ– НЕ других типов логик (ЭСЛ, РТЛ) будут отличаться параметрами Uг, Rвх и др.

Рис. 3.6

145

Замечание. В цифровых системах, в том числе при рассмотрении логических элементов, различают напряжение высокого уровня и низкого уровня. Напряжению высокого уровня ставят в соответствие двоичную (логическую) единицу. Такой уровень напряжения обозначают U1. Напряжению низкого уровня, близкому к нулю, ставят в соответствие двоичный нуль и обозначают U0 (U0 ≈ 0). При рассмотрении МВ– ЛЭ и МВ– ИС, кроме уровней напряжений U1, U0, приходится учитывать величины сопротивлений в точках с уровнями U1, U0. Эти сопротивления могут быть разными при разных уровнях напряжения (U1 и U0). Поэтому сопротивлениям присваивается индекс сигнала (1 или 0) , при котором определяется сопротивление. Например:

R1вых – выходное сопротивление при высоком выходном

напряжении (U1вых = 1);

R0вх – входное сопротивление при низком (нулевом) входном напряжении U0вх (U0вх ≈ 0);

R1вх – входное сопротивление при высоком входном напряжении U1вх (U1вх = 1).

В соответствии с этим у закрытого инвертора (ключа) Rвых = R1вых, Rвх = R0вх, у открытого инвертора (ключа) Rвых = = R0вых ; Rвх = R1вх.

Принятое обозначение входных сопротивлений, соответствующее уровню напряжения на входе, отличается от такового в работе [8].

Логический элемент РСТЛ приведен на рис. 3.6,б. Он отличается от транзисторного инвертора только наличием резистора RБ между входом логического элемента и базой транзистора, что обусловливает более пологую входную характеристику (график 1) по сравнению с транзисторной (график 2) на рис. 3.6,в и большое входное сопротивление R1вх (R1вх ≈ RБ) при высоком входном напряжении (Uвх), измеряемое несколькими килоомами [8].

Схема тоже состоит из двух плеч (половин) – логических элементов (вентилей) В1, В2 и навесных времязадающих цепей С1, R1; С2, R2. Входы ИЛИ (Х1, Х2) у каждого из вентилей объе-

146

динены (входов Х у каждого вентиля может быть больше двух). Объединенные входы Х1, Х2 образуют общий вход инвертора – Вх.1 или Вх.2. Однако это объединение (закорачивание) не обязательно. Достаточно оставить свободными по одному входу на вентиль. Остальные входы (Х) вентиля могут быть заземлены. Выход вентиля В1 (Вых.1) соединен через конденсатор С2 со входом В2 (Вх.2), а выход В2 (Вых.2) через конденсатор С1 со входом В1 (Вх.1). Резисторы смещения R1, R2 подключены к положительному полюсу источника смещения +Е. Источник смещения +Е и резисторы R1, R2 выполняют ту же роль, что и R1, R2 в транзисторном МВ (см. рис. 3.4,а) – обеспечивают положительное смещение на входы вентилей В1, В2 и перезаряд емкостей С1, С2. В качестве источника смещения Е может использоваться источник питания Еп вентилей. Источники питания микросхем (в том числе и логических элементов) на схемах не указываются. Считается, что они включены в схему ЛЭ. Указываются только выводы (ножки) микросхемы, к которым должны быть подключены плюс и минус источника питания Еп.

При одинаковых схемах и при одинаковых входных и выходных характеристиках (см. рис. 3.6,в) процессы в схеме МВ– ИЛИ– НЕ (см. рис. 3.6,а) протекают точно так же, как и в транзисторном МВ. Различие имеется только количественное. Временные диаграммы входных и выходных напряжений для вентиля В1 приведены на рис. 3.7. Уровень входного напряжения (Uвх1 на рис. 3.7), при котором происходит переключение МВ, обычно называют граничным (в отличие от порогового напряжения Uпор на прямой ветви ВАХ диода) и обозначают Uг [8]. Величина Uг разная для разных типов логических элементов. Она может быть равна Uпор, но для ТТЛ-элементов она существенно больше. С учетом Uг временные диаграммы не отличаются от транзисторных диаграмм, показанных на рис. 3.4,б.

147

Другой конденсатор (С1) разряжается и принудительно удерживает вентиль В1 в закрытом состоянии, формируя длительность полупериода Т1. Цепь разряда конденсатора С1 не отличается от транзисторной (на рис. 3.5,а), и только начальное напряжение UС1(0), определяемое формулой (3.10), и постоянная разряда τ другие:

Длительность полупериодов Т1 и Т2, а также периода Т = = Т1 + Т2 определяется по той же, что и для транзисторного МВ, формуле (3.6), в которую надо подставить UC (0) из формулы

(3.11), UC (∞)=Еп, UC (Т1)=Uг:

Eп

В элементах РСТЛ Uг равно пороговому напряжению Uпор

на прямой ветви ВАХ диода (Uг = Uпор ≈ 0,6 В).

Если пренебречь величиной Uг по сравнению с Еп (как это делалось в транзисторном МВ), то получим менее точную величину Т1, которую обозначим Т1′ (Т1′ < Т1):

При одинаковых параметрах времязадающих цепей R (R = RБ) и С транзисторного мультивибратора и МВ– ИЛИ– НЕ величина Т1′ из формулы (3.13а) меньше величины Т1 из фор-

мулы (3.8а).

149

Для симметричного МВ– ИЛИ– НЕ Т1 = Т2 и период, равный сумме полупериодов,

3.3.2.Мультивибраторы на базе элементов И–НЕ

Сучетом сказанного ранее эта разновидность МВ создается из элементов ТТЛ, ТТЛШ и ДТЛ, ДТЛШД: И– НЕ, И– ИЛИ– НЕ, ИЛИ– НЕ. Мультивибраторы этого типа используются достаточно часто и не только в вычислительных устройствах. Существует несколько разновидностей этих МВ, симметричных

инесимметричных. Сначала будет подробно рассмотрен симметричный МВ– И– НЕ со скважностью q = 2, а потом кратко некоторые из несимметричных МВ– И– НЕ.

Схема и ее работа. Схема симметричного (по устройст-

ву) МВ– И– НЕ приведена на рис. 3.9,а. Входная iвх = ƒ (Uвх) и выходная Uвых = ƒ (Uвх) характеристики ТТЛ-элементов приве-

дены на рис. 3.9,б. Внешне схема МВ– И– НЕ мало отличается от рассмотренной ранее схемы МВ– ИЛИ– НЕ. Только резисторы смещения R1, R2 подключены к нулевому проводу (Есм = 0).

Рис. 3.9

150