Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010
.pdf
|
|
|
|
|
|
C |
0 |
|
τэк = β |
N |
τ + R |
C |
к |
+ |
|
. |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
βN |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, продолжительность выходного импульса дополнительно увеличивается за счет удлинения среза импульса и достигает величины
tи tп + аτэк
(а = 1 и а = 3 соответственно для уровней 1 Нп и 0,05Uвыхт). Если требуется импульс с более крутым срезом, то схему на рис.
6.26, a дополняют еще одним логическим элементом, который подключается к ее выходу и используется в качестве формирователя импульсов с крутыми перепадами.
Для формирования импульсов сравнительно большой длительности обычно применяют релаксационные устройства, работающие в ждущем режиме.
Контрольные вопросы
1.Какие функции выполняют ограничители амплитуды импульсов и какие элементы используют в этих устройствах?
2.Какие ограничители амплитуды импульсов применяют, если наряду с ограничением импульсов требуется и формирование импульсов с крутыми перепадами?
3.С какой целью применяют усилители – формирователи коротких импульсов и как производится укорочение импульсов?
4.Какие вы знаете формирователи коротких импульсов на ИМС и как они работают?
5.С какой целью производят удлинение коротких импульсов и какие схемотехнические способы применяются для расширения импульсов?
_______
341
7. РЕЛАКСАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ
7.1.Назначение, режимы работы
иосновные параметры релаксационных устройств
Релаксационные интегральные микросхемы так же, как и их дискретные аналоги, предназначены для генерирования и формирования импульсных сигналов с заданными характеристиками, определяемыми параметрами схемы. Релаксационные устройства наиболее часто применяются для генерирования и формирования прямоугольных импульсов и импульсов линейно-изменяющейся формы, которые будут рассмотрены в этом разделе.
Релаксационные устройства работают в двух режимах: автоколебательном и ждущем. В автоколебательном режиме они генерируют непрерывную последовательность импульсов, а в ждущем на каждый входной сигнал произвольной формы формируется один стандартный импульс или пачка таких импульсов.
Релаксационные устройства, работающие в автоколебательном режиме, применяются в качестве задающих генераторов и делителей частоты. Ждущий режим работы используется для формирования импульсов с определенными параметрами с целью стандартизации их формы, длительности, а также для усиления их мощности
ит. д.
Винтегральном исполнении выпускаются релаксационные ИМС с времязадающими RС-цепями: мультивибраторы и одновибраторы (ждущий мультивибратор). Они изготавливаются в виде монолитных и гибридных ИМС, работающих в предельном режиме, т.е. с наименьшим периодом колебаний или временем выдержки. Для работы с большим периодом колебаний или временем выдержки обычно предусматриваются дополнительные выводы для подключения к ИМС навесных конденсаторов.
Широкое распространение получили релаксационные устройства, построенные на основе ИОУ и ИКН. В таких устройствах ИОУ или ИКН охватывается регенеративной обратной связью при по-
342
мощи RС-цепей, обеспечивающих релаксационный процесс. В настоящее время для этой цели применяются также интегральные таймеры [1]. Релаксационные устройства строятся также на логических ИМС.
Характеристики релаксационных устройств можно разбить на две группы: характеристики установившихся процессов и характеристики процессов опрокидывания схемы.
Кпервой группе относятся:
амплитуда выходного сигнала (Uвыхт);
частота (F) или период (Т) следования импульсов F = T1 при
работе в автоколебательном режиме и длительность импульса (tи) и наибольшее допустимое значение времени восстановления
(Твосст.наиб) для заторможенной схемы; значения F, Т и tи могут регулироваться в определенных пределах;
скважность генерируемых импульсов, определяемая соотношением между длительностями импульса (tи) и паузы (tп) между двумя последовательными сигналами
Qс = tи +tп ; tи
нестабильность параметров генерируемой последовательности импульсов (в первую очередь частоты, скважности, длительности и амплитуды) при изменении параметров элементов схемы в определенных пределах; обычно задается относительная нестабильность, например:
δ = |
Т |
, |
δ |
tи |
= |
tи |
, |
Т |
Т |
|
|
|
tи |
||
|
|
|
|
|
|||
хотя может быть задана и абсолютная величина допустимого отклонения соответствующего параметра;
нагрузочная способность.
Вторая группа включает характеристики переходных процессов в схеме, в первую очередь, длительности фронта (tфр) и среза (tср) импульса (переходные процессы в схеме релаксационного устройства состоят из тех же стадий и характеризуются теми жe параметрами, что и в схеме несимметричного триггера – см. п. 5.7).
343
7.2.Монолитные и гибридные релаксационные ИМС
Такие ИМС, как правило, реализуют по схеме мультивибратора. Мультивибратором называется схема, генерирующая прямоугольные (или близкие к прямоугольным) импульсы с заданными
характеристиками, определяемыми параметрами самой схемы. Как отмечалось, различают два режима работы релаксационных
устройств, в том числе и мультивибраторов: автоколебательный и ждущий (или заторможенный). В первом случае схема генерирует непрерывную последовательность импульсов, во втором – на каждый входной сигнал произвольной формы формируется один или пачка стандартных импульсов.
Мультивибраторы, работающие в автоколебательном режиме, широко применяются в качестве генераторов, задающих частоту или период следования опорных импульсов, делителей частоты. Ждущий режим работы используется для формирования импульсов с определенными параметрами, создания регулируемой в широких пределах задержки импульсов, формирования на каждый входной сигнал определенного количества импульсов: одиночного или пачки импульсов и т.д.
Мультивибратор, построенный по симметричной схеме, состоящей из двух однотипных усилительных каскадов, охваченных положительной обратной связью (причем цепь обратной связи создается двумя однотипными ветвями), называют симметричным.
Схема симметричного мультивибратора с коллекторнобазовыми емкостными связями и временные диаграммы, иллюстрирующие ее paботу, приведены на рис. 7.1.
Схема имеет два временно-устойчивых состояния, в каждом из которых один из транзисторов насыщен, а другой закрыт. Поочередное запирание транзисторов обеспечивается перезарядом конденсаторов C1и С2 (соответственно запираются транзисторы Т2 и T1) через базовые резисторы R1 и R2. Длительность каждого вре- менно-устойчивого состояния определяется временем перезаряда соответствующего конденсатора, когда сохраняется запертое состояние одного из транзисторов. После отпирания любого транзи-
344
стора схема опрокидывается, причем процесс переброса развивается совершенно так же, как в схеме симметричного триггера (см. п. 5.1). Затем цикл повторяется снова.
а
Рис. 7.1. Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми емкостными связями (а) и эпюры напряжения, иллюстрирующие
его работу (б)
б
В схеме на рис. 7.1,а в качестве хронирующих элементов используются дифференцирующие RC-цепи, при помощи которых обеспечивается изменение по экспоненциальному закону напряжения, управляющего мультивибратором:
(7.1)
где Uнач – напряжение в начале цикла (после переброса мультивибратора в новое временно устойчивое состояние равновесия); Uкон – напряжение, к которому в пределе стремится Uвх; τ – постоянная времени заряда конденсатора в хронирующей RC-цепи.
Так, в |
рассматриваемой схеме при определении длительности |
|
импульса |
tи2, |
формируемого на коллекторе транзистора Т2 |
(Uвых2 = Uк2), в |
формулу (7.1) подставляют Uкон2 = Есм (где Есм – |
|
|
|
345 |
напряжение источника смещения в базовых цепях транзисторов),
Uнач2 = Uвых1 – Uбн2 (см. эпюру Uвх2 = Uб2 на рис. 7.1, б) и τ =
= τ2 = R2C1.
При достижении Uвх некоторого порогового напряжения Uпор в мультивибраторе возобновляется регенеративный процесс, который завершается переходом устройства в новое устойчивое состояние равновесия. Таким образом, продолжительность рассматриваемого цикла работы можно определить из уровня Uвх(t) = Uпор по формуле
U |
нач |
−U |
кон |
|
|
|
tи = τln |
|
|
. |
(7.2) |
||
|
|
|
|
|||
Uпор −Uкон |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
В схеме на рис. 7.1,а длительность импульса tи2 на выходе Т2
определяется подстановкой в формулу (7.2) |
Uпор = Uпор2 ≡ Uбэ.рег2 |
||||||||
(где Uбэ.рег2 – разность потенциалов между базой и эмиттером Т2, |
|||||||||
при которой наступает регенерация): |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
E |
− U |
вых1 |
+U |
бн2 |
|
|
t |
|
= R С ln |
см |
|
|
. |
|||
|
|
Eсм −Uбэ.рег2 |
|
||||||
|
и2 |
2 1 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Аналогично можно установить, что длительность импульса tи1,
формируемого на коллекторе Т1, равна |
|
|
|
|||||||
t |
|
= R С |
E |
см |
− U |
вых2 |
+U |
бн1 |
||
|
ln |
|
|
|
. |
|||||
|
|
|
Eсм −Uбэ.рег1 |
|
||||||
|
и1 |
1 2 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отметим, что соотношения (7.1) и (7.2) получены в достаточно общем виде, поэтому ими можно пользоваться при определении длительности импульса tи почти во всех современных релаксационных устройствах. При этом соотношением (7.2) пользуются при расчете постоянной времени хронирующей цепи τ, обеспечивающей формирование импульса заданной длительности tи.
Этими соотношениями пользуются также при оценке отклонения длительности импульса tи от заданного значения tи, обусловленного разбросом параметров элементов схемы и их изменением в температурном диапазоне. На основании формулы (7.2) можно показать, что относительное отклонение длительности импульса от
346
расчетной величины, полученной исходя из номинальных значений параметров элементов схемы, равно
t |
и = |
τ |
+ |
τ |
|
U |
кон |
− U |
нач − |
Uкон − Uпор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
(7.3) |
||||
|
|
tи |
|
|
Uкон −Uпор |
|||||||
tи |
τ |
|
|
Uкон −Uнач |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При подстановке в эту формулу Δτ, Uкон, Uнач, Uпор, определяемых разбросом параметров, оценивают отклонение tи от расчетного значения. Если Δτ, Uкон, Uнач, Uпор определяются температурной зависимостью параметров, то по формуле (7.3) рассчитывается температурный дрейф tи.
Длительность фронта и среза выходных импульсов определяются соответствующими параметрами интегральных микросхем с учетом действия дополнительных элементов в схеме релаксатора, к числу которых относятся и хронирующие конденсаторы.
В классической схеме мультивибратора (см. рис. 7.1,а) продолжительность перехода транзистора из закрытого состояния в открытое1 определяется постоянной времени
|
|
|
|
|
C |
+ |
С |
м |
|
|
τэк = τ + (R || R |
) C |
к |
+ |
|
н |
|
|
, |
||
|
|
|
|
|||||||
TN |
к н |
|
|
β |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
которая зависит от инерционности транзистора (τTN, Ск) и паразитных емкостей (Сн и См). Этот переброс протекает сравнительно быстро (поэтому на рис. 7.1,б срез выходных импульсов представлен
ввиде идеального перепада).
Кнедостаткам мультивибратора на рис. 7.1,а относится чрез-
мерно большая (по сравнению с tср) длительность фронта tфр, формируемого при запирании транзистора, когда ток зарядки хрони-
рующего конденсатора с постоянной времени τзi СiRк (i = 1, 2) протекает через резистор Rк запирающего транзистора. Это происходит, начиная с момента отпирания и насыщения ранее закрытого транзистора. Отделить цепь заряда хронирующего конденсатора (С1 или С2) от коллектора транзистора (соответственно Т1 или Т2)
1В схеме на п-р-п-транзисторах – это длительность среза tср выходного импульса,
ана р-п-р-транзисторах – длительность фронта tфр.
347
можно с помощью отключающих диодов или встроенных повторителей напряжения.
Схема мультивибратора с отключающими диодами Д3 и Д4 приведена на рис. 7.2. Этот мультивибратор построен на ИМС с нелинейной обратной связью, которая, действуя через диоды Д1 и Д2, предотвращает насыщение транзисторов Т1 и Т2. Это дает возможность использовать ИМС в генераторах коротких импульсов, длительность которых сравнима с временем рассасывания носителей заряда в базе транзисторов.
Рис. 7.2. Схема мультивибратора, построенного на микросхеме с применением навесных конденсаторов
Кроме того, предотвращение насыщения транзисторов исключает возможность жесткого режима возбуждения, что может послужить причиной срыва автоколебаний при включении источника питания. Срыв генерации происходит из-за одновременного насыщения транзисторов Т1 и Т2. Это состояние оказывается устойчивым, поэтому приводит к нарушению нормальной работы мультивибратора. Предотвращение насыщения транзисторов переводит схему в мягкий режим возбуждения, при котором срыв автоколебаний исключается.
Как отмечалось, диоды Д3 и Д4 включаются для сокращения длительности фронта выходного импульса. Во время заряда времязадающего конденсатора соответствующий диод запирается и от-
348
ключает выходную цепь (т.е. коллектор транзистора) от конденсатора. При этом ток заряда конденсатора, отбираемый от источника питания, протекает через резистор R5 или R6. Поэтому длительность фронта выходного импульса сокращается до
tфр = 2,2Rк(Ск + Сн + См),
где См — паразитная емкость монтажа.
В справочниках для подобного рода ИМС указываются напряжение источника питания, ток потребления, длительности фронта и среза выходного импульса, его амплитуда.
На рис. 7.2 показана схема мультивибратора, построенного на микросхеме. В качестве времязадающих элементов используются навесные конденсаторы С1 и С2. Длительности импульсов на коллекторах Т1 и Т2, хронируемые временем перезаряда конденсаторов С1 и С2, определяются по формуле (7.2), которую обычно используют для расчета емкости конденсаторов С1 и С2:
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Eи |
−Uбэ |
|
|
|
||||||
С1 ≈ tи1 |
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
: ln 1 |
+ γ |
|
|
|
|
|
,.п |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
Rб1 |
|
|
R1 |
+ R3 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
γ2Eи.п |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−Uот.т |
|
|||||||||||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Eи −Uбэ |
|
|
|
||||||
С2 ≈ tи2 |
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
: ln 1 |
+ γ |
1 |
|
|
,.п |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
Rб2 |
|
|
R2 |
+ R4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
γ |
|
E |
−U |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и.п |
|
|
от.т |
|
||||
где |
|
|
γ1 |
= |
|
|
|
R1 |
|
= |
|
|
|
R2 |
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
R |
+ R |
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
3 |
|
|
|
|
2 |
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
γ2 = |
|
|
|
|
|
Rб1 |
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
Rб2 |
|
|
. |
|
|
|
|
||||||||
|
R |
|
+ R + R |
|
|
|
R |
|
+ R + R |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
б1 |
|
1 |
|
3 |
|
|
|
|
б2 |
|
|
|
2 |
4 |
|
|
|
|
|
|||||||
Отклонение длительности импульса и ее изменение в температурном диапазоне рассчитываются по формуле (7.3). Амплитуда выходного импульса, определяемая соотношением
Uвыхт ≈ γ1(Еи.п – Uбэ) + Uд,
лимитируется допустимым обратным напряжением Uэбmax для эмиттерного перехода транзисторов. Так как при запирании транзистора на его базе появляется перепад напряжения, почти равный Uвыхт, то, чтобы предотвратить пробой эмиттерного перехода, необходимо ограничить амплитуду выходного импульса величиной Uэбmax, т.е.
349
Uвыхт ≈ (Еи.п – Uбэ) |
|
R1 |
≤ Uэбmax. |
|
R |
+ R |
|||
|
|
|||
|
1 |
3 |
|
Выполнение этого условия обеспечивается соответствующим выбором напряжения источника питания Еи.п.
В гибридных ИМС в качестве времязадающих конденсаторов используются пленочные элементы.
Массу, габариты и занимаемую площадь гибридных ИМС, применяемых в качестве релаксационных устройств, можно заметно сократить применением распределенных RС-структур, состоящих из чередующихся пленочных резистивных и диэлектрических слоев. Наиболее перспективной распределенной структурой для построения гибридных релаксационных ИМС является R-C-NR-структура. На
рис. 7.3 показана схема мультивибратора с распределенными R- C-NR-структура-ми. В этой схеме коллекторными резисторами Rк служат резистивные слои NRпол, а базовыми Rб – слои Rпол (Rпол – полное сопротивление). В качестве времязадающего конденсатора используется емкость структуры Спол. Совмещение указанных слоев в одной структуре позволяет уменьшить площадь, занимаемую ИМС, а также число пассивных элементов. Использование распределенных структур приводит к сокращению длительности среза выходного импульса, что способствует повышению быстродействия схемы.
Бóльшими возможностями обладают многослойные структуры со средним металлическим и резистивным слоями. Подключив к среднему металлическому слою резисторы или конденсаторы, можно обеспечить подгонку периода колебаний или времени выдержки релаксационного устройства путем изменения их сопротивления или емкости. При использовании таких структур помимо подгонки выходных параметров сравнительно просто осуществля-
350