2.2.1 Компараторы и триггеры Шмита
Многие устройства импульсной и цифровой техники успешно выполняются на операционных усилителях. Компаратором называют устройство, предназначенное для сравнения двух напряжений. Он изменяет уровень выходного напряжения, когда уровни непрерывно изменяющихся входных сигналов становятся равными. На рис.9 изображена схема простейшего компаратора на операционном усилителе для сравнения напряжений одного знака.
Выходное напряжение:
Если требуется сравнить по значению достаточно большие входные напряжения разных знаков, применяют схему (Рис.10):
Компаратор срабатывает при равенстве нулю потенциала точки а. При этом:
Благодаря включению диодов потенциал точки а не превышает ± 0,6 В (прямое напряжение на открытом диоде) при достаточно больших U1 и U2, чем защищаются входные цепи операционного усилителя от перегрузки.
Компараторы выпускаются в виде микросхем, например К597СА1 или 521СЛ4.
Компаратор, уровни включения и выключения которого не совпадают, называют триггером Шмитта (пороговым элементом). Разница в уровнях называется гистерезисом переключения. Триггер Шмитта может быть построен на двух транзисторных каскадах усиления, охваченных положительной обратной связью, или на компараторе с положительной обратной связью. На рис. 11 а-в приведены схема, передаточная характеристика и условное обозначение инвертирующего триггера Шмитта.
Триггеры Шмитта выпускаются в виде микросхем, например К155ТЛ1 (два триггера Шмитта с элементами И на выходе). Одна из основных областей применения триггера Шмитта - формирование напряжения прямоугольной формы из входного напряжения произвольной формы (рис. 12)
Триггер Шмитта используют так же в качестве порогового устройства для регистрации превышения входным напряжением порогового значения Uвкл. (Uвыкл.).
2.3 Практические схемы логических элементов и цифровые микросхемы
2.3.1 Цифровые микросхемы на ттл - элементах
На рис.13 приведена схема ТТЛ – элемента И – НЕ с простым инвертором.
Операция И реализуется здесь многоэмиттерным транзистором Т1, а транзистор Т2 служит в качестве инвертора. Многоэмиттрные транзисторы легко реализуются в интегральной технологии и служат основой ТТЛ - элементов.
Если на всех входах (эмиттерах транзистора Т1 действует сигнал «1» (высокий потенциал), то все переходы эмиттер - база транзистора Т1) закрыты. Потенциал базы транзистора Т2 близок к нулю, а переход коллектор-база транзистора Т1; открыт приложенным в прямом направлении напряжением источника + Е. Ток коллекторного перехода транзистора Т1 проходит через переход эмиттер-база транзистора Т 2, переводя его в режим насыщения, а на выходе появляется сигнал «0», то соответствующий переход эмиттер-база транзистора Т1; откроется и его базовый ток обеспечит большой коллекторный (эмиттерный) ток, потенциал базы транзистора Т2 резко падает и он закрывается.
В результате на выходе (на коллекторе Т2) появится высокий потенциал «1». Таким образом, сигнал «0» может быть на выходе только при сигналах «1» на всех входах, что соответствует операции И-НЕ.
На практике используют ТТЛ - элементы со сплошным инвертором, позволяющим увеличить нагрузочную способность элемента.
По схеме рис.14 построен элемент И-НЕ 1ЛБ344А серии 134. Незначительно отличаются схемы элементов И-НЕ серии 133 и 135.
Логические элементы на МОП - транзисторах обладают малой мощностью потребления и большим входным сопротивлением. На рис. 15 приведена схема МОП - элемента ИЛИ-НЕ выполненного на транзисторах с каналом n-типа.
Ещё более экономичны логические КМОП - элементы ( здесь К обозначает комплементарный). В них используются пары МОП - транзисторов с каналами разных типов (р и n), включённых последовательно с источником питания. При этом затворы парных (комплементарных) транзисторов объединяются. В результате при любом входном сигнале («0» или «1») один из транзисторов открыт, а другой закрыт и ток от источника не отбирается. Ток потребляется только в момент переключения, чем достигается высокая экономичность.
На рис.16 и 17 приведены схемы инвертора и элемента ИЛИ-НЕ на КМОП - транзисторах.
Для
рис. 16 при Uвх
> 0 («0») открыт р-канальный МОП - транзистор
Т2,
n-канальный
транзистор Т1
закрыт, а Uвых
= Е («1»), Если Uвx
=Е, то транзистор Т2
закрыт, а транзистор Т1
открыт и Uвых
= 0. Для рис.17 при U1=U2=0
канальные транзисторы Т1,
и Т2
закрыты, а р-канальные транзисторы Т
и Т
открыты,
Uвых
= Е («1»). Если U1=E1,а
U2=0,
то транзистор Т1
открыт, транзистор Т
закрыт; транзистор Т2
закрыт, транзистор Т
открыт и Uвых
= 0, т.е. схема реализует операцию ИЛИ-НЕ.
По схеме рис.17, например, реализована
микросхема К167ЛЕ5 (4ИЛИ-НЕ) серии 176.
КМОП - элементы состоят только из МОП - транзисторов, что делает их весьма технологичными, поэтому они широко применяются в больших интегральных схемах (БИС). Напряжение питания КМОП – элементов может быть установлено любым в пределах 3 – 15 В. Недостаток КМОП – элементов (также как и МОП – элементов ) – сравнительно не высокое быстродействие.
