книги из ГПНТБ / Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства учебник
.pdfВ качестве ключей могут использоваться транзисторы, отпирае мые импульсами ТИі и ТИ2.
Кроме двухтактных, применяются также однотактные ферритдиодные схемы. Такие схемы для своей работы требуют одной се рии тактовых импульсов, и для запоминания одной единицы ин формации необходим только один сердечник. Задержка входного импульса относительно тактового обеспечивается включением в цепь связи между сердечниками специальных элементов задержки, чаще всего RC- или /?Т-цепей.
Из всех однотактных схем наилучшими свойствами обладает схема с ключевым элементом. Ключ Кл в этой схеме замыкается только после окончания действия тактового импульса, поэтому вся энергия конденсатора расходуется на перемагничивание сер дечника.
2.8.5.ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Для упрощения начертания схем будем в дальнейшем в цепи связи изображать только один диод, а ячейку независимо от того, является ли она однотактной или двухтактной, — одним сердеч ником.
Сердечник с тремя обмотками (входной или записывающей wь тактовой или считывающей шт и выходной ш2) имеет один вход и поэтому может реализовать переключательную функцию
<0
только |
одной переменной: |
функцию |
у — х — постоянную |
х |
||
(«const |
X») |
и функцию у = |
1— постоянную |
единицу («const |
1»). |
|
Элемент, |
реализующий функцию у = |
х |
(«const х»), работает |
|||
следующим образом: если на его вход подать переменную х (1 или 0), то с приходом ТИ на выходе появится сигнал у (1 или 0), соот ветствующий сигналу на входе. Назначение этого элемента — со вместить во времени сигнал, представляющий переменную х и ТИ, что необходимо для обеспечения нормальной работы сложных ло гических схем, в которых на один элемент может подаваться одно временно несколько переменных от различных источников. Схема и условное изображение рассматриваемого элемента показаны на рис. 2.71.
200
Элемент («const 1») («постоянная единица», генератор еди ниц, рис. 2.72) предназначен для получения последовательности импульсов (единиц), следующих с частотой ТИ и имеющих такую же форму, что и другие входные (записывающие) сигналы. Во
Рис. 2.72
входную обмотку Wi подаются ТИі (вместо ТИі может подаваться постоянный ток, переводящий сердечник в состояние 1); с прихо дом каждого ТИ2 в выходной обмотке w2 появляется импульс, изо
бражающий 1. Выходные импульсы генератора единиц, в отличие от тактовых импульсов, подаются во входные (записывающие) обмотки других сердечников.
На трехобмоточном сердечнике может быть реализован также элемент ИЛИ: х г-{-х2 (рис. 2.73а); переменные Х\ и х2 объеди няются здесь еще на входе обмотки W\.
При наличии сердечника с четырьмя обмотками при реали зации схемы Ху + х2 входные сигналы можно подавать на две
201
обмотки (рис. 2.73е). Аналогично можно получить элемент ИЛИ для большого числа переменных. Необходимо только отметить* что при реализации операции ИЛИ особое значение имеет борьба
с помехами, так как в этом случае на сердечник будет действовать сумма помех.
Если входные обмотки включить встречно (рис. 2.74), то по лучим схему «запрет».
Для правильной работы схемы «запрет», изображенной на рис. 2.74, магнитный поток, создаваемый сигналом х2, должен компенсировать магнитный поток, создаваемый сигналом х ь
Схемы «const 1» , «ИЛИ» и «запрет» составляют функциональ но полную систему: с их помощью можно реализовать любую сколь
угодно сложную функцию. Так, функцию отрицания НЕ можно представить следущим образом (рис. 2.75): х = \ - х . Логическая функция И двух переменных х^х2 реализуется схемой рис. 2.76.
202
Часто на практике используют схему И, которая строится так, как показано на рис. 2.77. Под действием источника постоянного напряжения Е сердечник находится в состоянии 1- Если появляется только одни сигнал Хі или х2, сердечник продолжает оставаться в этом состоянии и сигнал на выходе отсутствует. Если же оба сигнала Х\ и х2 приходят одновременно, сердечник перемагничи вается в состояние 0 и на выходе возникает сигнал Х[Х2.
Расмотренные феррит-диодные схемы просты и надежны в ра боте, однако имеют ряд недостатков, ограничивающих их применен нме. К числу наиболее существенных недостатков относятся:
— необходимость борьбы с обратным потоком информации (что приводит к усложнению схем и к дополнительным потерям энергии);
—необходимость наличия мощного источника тактовых им пульсов;
—невозможность получения высокой нагрузочной способно сти феррит-диодных схем при наличии пассивной цепи связи; один
•сердечник обычно можно.нагружать лишь на небольшое число дру гих сердечников. Это усложняет схемы, увеличивает их габариты и стоимость.
Указанных выше недостатков лишены схемы на сердечниках с ППГ, имеющие в цепи связи активный элемент, в частности тран зистор. Эти схемы получили название феррит-транзисторных (или ферро-транзисторных). Пример такой схемы приведен в гл. 6.
Ф о р м и р о в ател и им пул ьсов
3.1. ОГРАНИЧИТЕЛИ АМПЛИТУДЫ ИМПУЛЬСОВ
3.1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Ограничителем называют четырехполюсник, на выходе которого напряжение uBUyL(t) остается практически на постоянном уровне, когда входное напряжение uBX(t) либо превышает некоторое пороговое зна чение Uпор (ограничение сверху, или по максимуму, рис. 3.1а), либо прини мает значение ниже порогового U"»0Р (ограничение снизу, или по минимуму, рис. 316), либо выходит за пределы пороговых уровней U'B0V и Uno-? (дву стороннее ограничение, рис. З.ів).
Те же значения входного сигнала, которые лежат между пороговыми уровнями, воспроизводятся на выхо де без искажений. Другими словами,
ограничитель является |
нелинейным |
|
четырехполюсником, обладающим в |
||
идеальном случае |
линейно ломаной |
|
характеристикой |
ивых = |
f (ивк), изо |
браженной на рис. 3.1 (естественно, что характеристика не обязательно должна проходить через начало коор динат) .
Для ограничения сигналов по ам плитуде применяются ключевые эле менты, рассмотренные в гл. 2; в зави симости от вида ключа различают ди одные и транзисторные ограничители. При использовании транзисторных ключей наряду с ограничением может
иметь место усиление сигналов, вследствие чего такие схемы назы вают усилителями-ограничителями.
В зависимости от способа включения ключа различают после довательные (рис. 3.2а) и параллельные (рис. 3.26) схемы огра-
204
ннчителей; последовательная схема работает в режиме ограниче ния, когда ключ Кл разомкнут, а параллельная — когда ключ Кл замкнут. Заметим, что уровень и порог ограничения могут быть заданы при помощи дополнительных источников напряжения, вклю чаемых в схему.
Основными требованиями к ограничителю являются: высокая стабильность положения точек излома его характеристики, высо
кая четкость |
ограничения |
(т. е. высокое постоянство выходного |
||
напряжения |
в области |
ограничения), высокая линейность схемы |
||
в области пропускания |
(вне области ограничения). Качество огра |
|||
ничения характеризуется |
коэффициентами передачи |
(отношением |
||
приращений |
выходного |
и входного напряжений) в |
области огра |
|
ничения /<огр |
и в области пропускания Кпр- |
|
||
Рис. 3.2
При ограничении импульсов возможно искажение их формы, в частности растягивание фронтов, которое, однако, не должно пре восходить допустимого уровня.
3.1.2, ДИОДНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ
П о с л е д о в а т е л ь н ы е д и о д н ы е о г р а н и ч и т е л и . На рис. 3.3а, б изображены схемы и временные диаграммы последо вательных диодных ограничителей сверху и снизу соответственно. Переход ограничителя из режима пропускания в режим ограниче
ния и наоборот происходит при |
напряжении |
на. диоде ид, малом |
|
или, в идеальном случае, равном |
нулю. При «д>- 0 диод открыт и |
||
4 |
I |
*'"Н ‘ |
» |
R |
|
R n P + |
R г |
R + R np- + R r " вх |
R + R n P + R r ■ |
||
где Ru? — среднее значение прямого сопротивления диода, Rr — внутреннее сопротивление генератора входного напряжения, или
(3.1)
где
При ид < 0 диод заперт и
R |
R обр + Ri |
11вы* 0ГР ~ R + R o6p + |
R r |
205
где Ro6 p — среднее значение обратного сопротивления диода, или
^ в ы х о г р = = Я щ - р ^ в х |
( 1 |
Rorp) Ej |
где
( 3 - 2 )
|
|
|
|
^ о г р == R / ( R |
+ |
Я обр + |
Я г )- |
|
||
Если выполняется условие |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
к,огр |
Я Пр + Я г <■ R |
< . R 06p + |
Rr, |
(3.3) |
|||
то К |
пр |
, |
О и |
и |
вых пр |
^ВЫХ) ^вых огр |
|
|||
|
1 |
|
|
|
||||||
а) |
|
Кг'— Л -1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
й с і з і |
И —1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Г |
л |
|
|
|
|
|
|
|
|
Евх
і-------------
Заметим, что условие ия = О выполняется при ивх = Е\ таким образом, и порог ограничения, и уровень ограничения при выпол нении условия (3.3) практически равны опорному напряжению Е. Изменяя величину и полярность Е, можно в широких пределах изменять порог и уровень ограничения.
Рассмотрим.переходный процесс в последовательном ограни чителе в предположении, что на его входе идеальный генератор (Яг = 0) развивает прямоугольные перепады напряжения ,(рис. 3.4). В момент подачи отрицательного перепада входного на пряжения диод запирается, но напряжение ивых не становится рав
ным |
нулю, а лишь скачком уменьшается на величину (см. |
разд. |
1.4) |
206
(3.4) и затем изменяется по экспоненциальному закону с постоянной
времени |
т = |
(Я||#0бр) (Сд + С0) » R (СД+ С0) , |
где Сд |
— емкость |
диода, |
Со = |
Си + См, Сн— входная емкость |
нагрузки |
и См — |
паразитная емкость монтажа. Длительность установления выход ного напряжения
/ф ~ Зт ~ ЗЯ(СД+ С0). |
(3.5) |
В момент подачи положительного перепада входного напряже ния напряжение на выходе возрастает скачком на величину Ди (3.4) и затем весьма быстро устанавливается, так как при открытом диоде
постоянная времени т' |
цепи невелика: т' = (RWRuv) (Сд + С0) л: |
~ У?пр(Сд+ Со) < т, так |
как Rnр R0 бР. |
t
Рис. 3.4
Если задана допустимая длительность ^фДОП фронтов напряже ния на выходе, то сопротивление R следует выбирать таким об разом, чтобы /‘ф^/фдош т. е. согласно ф-ле (3.5) должно быть
выполнено условие R ^ |
іфдоп/3(Сд + |
Со). |
Схемы |
П а р а л л е л ь н ы е |
д и о д н ы е |
о г р а н и ч и т е л и . |
параллельных диодных ограничителей сверху и снизу, а также ил люстрирующие их работу временные диаграммы приведены на
рис. 3.5. |
(при запертом |
Коэффициент передачи в режиме пропускания |
|
диоде, т. е. при мд < 0) |
|
где |
(3.6) |
|
|
В режиме ограничения (при «д > 0) |
|
Когр == Rn np/{Rn пр + Ro), |
(3.7) |
207
где |
Rnnp — /?||/?пр ~ |
Rnp |
(предполагается, что сопротивление ге |
||||
нератора |
Rr |
учтено |
в |
величине |
ограничивающего сопротивле |
||
ния |
Ro). |
|
|
|
|
|
|
Выходное напряжение в режимах пропускания и ограничения |
|||||||
определяется |
по-прежнему ф-ламп |
(3.1) и (3.2) с учетом |
значе |
||||
ний /Спр |
(3.6) |
и Котр (3.7). Если выполняется условие Дпр |
До <§С |
||||
•С Rn < |
Д 0ср, |
ТО Кар ~ |
1, Д'огр ~ 0; уровень ограничения |
(и по |
|||
рог ограничения), как и в последовательном ограничителе, опре деляется величиной опорного напряжения Е.
а)
Влияние паразитной емкости на работу параллельного огра ничителя (рис. 3.6) сводится к следующему. Во время положи тельного импульса выходное напряжение почти равно нулю. При подаче отрицательного перепада диод запирается и суммарная
паразитная емкость С0 = Сд + Сп + |
См заряжается |
с постоянной |
|
времени т = (ДоІІДн)С0 « До »Co « |
Д0С0. За время |
^ |
ЗДоцС |
выходное напряжение ивых практически достигает установивше гося значения —Е". При появлении положительного перепада С0 стремится перезарядиться до величины Е' с той же постоянной вре мени т » RouCo- Однако как только напряжение ивых достигает ну-t левого значения, отпирается диод и дальнейший заряд емкости практически прекращается. Поэтому длительность заднего (поло-
-жительного) фронта f”, будет меньше длительности переднего (от рицательного) фронта /ф.
208
Согласно ф-ле (1.7)
в частном случае, при Е' = Е",
іф — CoRou ln 2 «s 0,7CQROU.
Параллельный-диодный ограничитель по сравнению с после довательным обычно обеспечивает худшую четкость ограничения. Действительно, в параллельной схеме четкость ограничения опре деляется отношением Rnp/Ro, в последовательной — отношением Roop/R', неравенство Roöp'^ R практически оказывается более сильным, чем неравенство /?пр <С R0. Другим недостатком схемы
t
Е'
Рис. 3.6
параллельного диодного ограничителя является необходимость иметь малое внутреннее сопротивление источника напряжения Е. Кроме того, в параллельной схеме при запертом диоде вход и выход разделены большим сопротивлением Ro и для выделения сигнала в нагрузке без существенного ослабления необходимо, чтобы входное сопротивление нагрузки /?п значительно превосхо дило сопротивление Ro, что не всегда имеет место. С другой сто роны, последовательная схема обладает тем недостатком, что на высоких частотах и при крутых перепадах напряжения проходная емкость диода создает в режиме ограничения (при запертом дио де) паразитную связь между входом и выходом.
Д в у с т о р о н н и е д и о д н ы е о г р а н и ч и т е л и. Двусто ронний диодный ограничитель можно получить путем соединения односторонних ограничителей. Для этого могут использоваться
209