Если для ЛЭ КМОП (см. Приложение) принять, что

I _вх = 0, U ^* = E _пит /2, U ⁰= 0, U ¹= E _пит,

то в этом случае E _г^­ = (1 + R ₁/ R ₂) E _пит /2.

 

Дальнейшее увеличение напряжения E _г > E _г^­ не приведет к изменению напряжения на выходе триггера. Снижение напряжения E _г приведет к "скачку" напряжения на выходе ТШ лишь при достижении величины E _г £ E _г^¯. При этом вновь на входе ЛЭ D 1 будет выполняться условие U _вх1= U * и возникнет положительная обратная связь.

Расчет E _г^¯ осуществляется аналогично предыдущему случаю с учетом того, что напряжение U _{вых 2} = U ¹:

(E _г^¯ – U ^* ) / R ₁ + (U ¹_{вых 2} – U ^* ) / R ₂ + I _вх = 0.

 

При прежних допущениях для ТШ на КМОП получаем

E _г^¯ = (1 – R ₁/ R ₂) E _пит /2.

 

Разница напряжений D E _гис = E _г^­– E _г^¯ = E _пит R ₁/ R _2.

 

Длительность процесса опрокидывания триггера – "скачка" – определяется быстродействием ЛЭ и временем задержки сигнала при прохождении по петле обратной связи. В ряде случаев для ускорения процесса опрокидывания резистор R ₂ шунтируют "ускоряющей" емкостью относительно небольшой величины. Обычно в ТШ на ЛЭ КМОП длительность скачка составляет 100 – 200 нс, а для ТШ на ЛЭ ТТЛ – 10 – 20 нс.

Как правило, величина резисторов R ₁ и R ₂ определяется нагрузочной способностью ЛЭ, а соотношение между резисторами выбирают исходя из обеспечения желательной величины D E _гис.

Достаточность глубины положительной обратной связи для возникновения скачка определяется как

K_U × K _ос ³ 1,

где K_U = K_{U лэ1} K_{U лэ2}, причем K_{U лэ} определяются из передаточных характеристик ЛЭ в активной области. Делитель в цепи обратной связи R ₁, R ₂ определяет K _ос= R ₁/(R ₁+ R ₂), что справедливо для ЛЭ КМОП, когда входными токами ЛЭ можно пренебречь.

Работа ТШ на ЛЭ ТТЛ, по сути, не отличается от работы на ЛЭ КМОП. Однако необходимо учитывать особенности схем ТТЛ (см. "Приложение"): существует значительный входной вытекающий ток (I _вх ⁰ до 1 мА) при U _вх1= U ⁰, который необходимо принимать во внимание при выборе резисторов и расчете порогов E _г^­ и E _г^¯. Значительная величина входного тока накладывает ограничение на максимальные величины резисторов R ₁, R ₂ так, чтобы I _вх⁰(R ₁½½ R ₂) < <1,0 В.

Триггер Шмидта часто используется для получения последовательности прямоугольных импульсов, частота повторения которых определяется частотой внешнего генератора синусоидальных колебаний (E _г). По сути, в данном случае он используется в качестве порогового или сравнивающего устройства. На рис. 2.2 приведена электрическая схема для такого использования ТШ (а) и характерные осциллограммы (б).

 

Рис.2.2.Использование схемы ТШ как генератора прямоугольных импульсов (а) и характерные осциллограммы (б)

 

Триггер Шмидта как и любая схема с глубокой положительной обратной связью обладает между определенными точками схемы участком вольт-амперной характеристики (ВАХ) с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это удобно наблюдать на примере ТШ, выполненного на ЛЭ ТТЛ. Для этого собирается схема (рис.2.3, а), где между точками "а" и "б" используется источник тока (I) вместо резистора R ₂. Величина тока контролируется и изменяется от нуля до некоторого значения. Одновременно контролируется напряжение U _аб.

Ожидаемый вид ВАХ приведен на рис.2.3, б. Здесь участок с

 

Рис. 2.3. Схема для измерения ВАХ между точками "а" и "б"(а) и ожидаемый вид ВАХ (б)

 

отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок 2 – 3) соответствует наличию условий (токи, напряжения в схеме), при которых может существовать положительная обратная связь. Включение между точками "а" и "б" резистора R ₂ приводит к обычной схеме ТШ (см. рис. 2.1), а включение конденсатора C (рис.2.4, а) приводит к схеме мультивибратора, поскольку емкость ведет себя как короткое замыкание для скачков токов в схеме (переходы 2 – 4 и 3 – 5 на рис. 2.3, б). Для предварительного вывода рабочей точки (ток I) на участок 2 – 3 требуется дополнительный стабильный источник ЭДС E ₁, что не совсем удобно. Чаще используется включение резистора R ₁ между выходом и входом инвертора D 1 (рис. 2.4, б), что при правильном выборе R ₁ обеспечивает автоматический вывод рабочей точки на участок 2–3 в каждый полупериод колебаний. Эта схема полностью совпадает со стандартной схемой мультивибратора на двух ЛЭ-инверторах.

 

Рис. 2.4. Схемы мультивибраторов (а, б) и "кварцевого" генератора (в)

 

Если в такой схеме вместо емкости C между точками "а" и "б" включить кварцевый резонатор (рис.2.4, в), то получится схема автогенератора колебаний, частота которого весьма стабильна и определяется частотой последовательного резонанса кварцевого резонатора. В данном случае "кварц" выступает как последовательный колебательный контур и имеет на частоте резонанса минимальное сопротивление.

 

Задание

 

1. Собрать схему ТШ на двух ЛЭ-инверторах КМОП либо ТТЛ (по указанию преподавателя).

2. Подать на вход ТШ сигнал синусоидальной формы. Наблюдать сигналы на входах и на выходах ЛЭ D 1 и D 2, снять осциллограммы. Определить длительности фронтов переключения и моменты их возникновения.

3. Собрать схему ТШ на двух ЛЭ ТТЛ (см. рис.2.3) и провести измерение ВАХ между точками "а" и "б". Оценить величину отрицательного дифференциального сопротивления и диапазон токов и напряжений, при которых он наблюдается. Рассчитать пороги и гистерезис, сравнить с величинами, полученными в эксперименте.

4. Собрать мультивибратор (см. рис.2.4, а, б). Снять характерные осциллограммы колебаний.

Библиографический список

 

1. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. – М.: Радио и связь, 1981. С.130 – 136.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высш. шк., 1991. С. 577 – 584.

3. Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. – М.: Радио и связь, 1991 (МРБ. Вып. 1161).

 

Лабораторная работа № 3

 

ЖДУЩИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР

 

Цель работы: изучение работы одновибратора на логических элементах КМОП И‑НЕ и ИЛИ‑НЕ.

 

Одновибратор или ждущий мультивибратор (ЖМВ) является релаксационным генератором, работающим в ждущем режиме. Он имеет одно устойчивое состояние. Внешний запускающий импульс вызывает скачкообразный переход схемы в новое состояние, называемое квазиравновесным. В данном состоянии происходят относительно медленные изменения токов (напряжений) в схеме, которые в конечном итоге вновь приводят к "скачку" и переходу схемы в равновесное состояние. Таким образом, на каждый запускающий импульс одновибратор вырабатывает импульс определенной длительности и вновь "ждет" запускающего импульса.

Рассмотрим более подробно работу ЖМВ на логических элементах И‑НЕ на основе КМОП (рис. 3.1). Входными токами логического элемента (ЛЭ) будем пренебрегать. Для обеспечения устойчивого (ждущего) состояния схемы на вход ЛЭ D 2 через резистор R подается низкий потенциал U ⁰, а на оба входа ЛЭ D 1 – высокие потенциалы U ¹, при этом высокий потенциал на входе Вх_1-2 является следствием низкого потенциала на входе ЛЭ D2. На выходе ЛЭ D 1 присутствует уровень U ⁰, и, следовательно, напряжение на конденсаторе C приблизительно равно нулю.

ЖМВ запускается отрицательным перепадом напряжения E _г от U ¹ до U ⁰ (рис.3.1, б), поступающим на вход _1-1 ЛЭ D 1, что приводит к изменению напряжения на его выходе от U ⁰ до U ¹. Это изменение передается через емкость C как через короткое замыкание на вход ЛЭ D 2 и приводит к изменению напряжения на его выходе

Рис. 3.1. Схема ждущего мультивибратора (а), осциллограммы переходных процессов в нем (б) и нахождение напряжения U * (в)

 

от U ¹ до U ⁰. Последнее передается на вход _1-2 ЛЭ D 1. В некоторый момент времени, когда на входе ЛЭ D 2 возникает потенциал U *, оба ЛЭ оказываются в области активных характеристик, и в схеме возникает глубокая положительная обратная связь. Она существенно ускоряет переходной процесс — в схеме возникает скачок токов (напряжений). Его длительность определяется инерционностью ЛЭ и для КМОП составляет 100 – 200 нс. Кстати, длительность переходного процесса определяет минимальную длительность запускающего импульса! По окончании скачка на входе _1-2 ЛЭ D 1 оказывается уровень U ⁰, и он удерживает ЛЭ D 1 в состоянии U _{вых 1}== U ¹. Запускающий импульс становится ненужным, схема себя "заблокировала" — начинается относительно медленный квазиравновесный процесс (рис. 3.1, б) формирования импульса T.

Напряжение U _вх2= U *, когда в схеме возникает положительная обратная связь, легко определяется графически из совместного построения передаточных характеристик ЛЭ D 1 и D 2 (рис. 3-1, в). При этом необходимо учитывать, что оба ЛЭ находятся в области активных характеристик, а емкость C ведет себя в момент скачка тока как короткозамкнутый элемент. Из анализа рис. 3.1, в следует ожидать, что для ЛЭ КМОП U * @ E _пит /2.

Длительность квазиравновесного состояния определяет длительность импульса T, генерируемого одновибратором, и связана с процессом перезарядки конденсатора C.

В момент скачка, можно считать мгновенно, напряжение на выходе ЛЭ D 1 изменяется от U ⁰ до U ¹, что приводит к появлению тока заряда (I _зар) конденсатора по пути: шина + Е _пит – r _{вых-ЛЭ D 1}– C –
– резистор – шина нуле-вого потенциала (показано пунктиром на рис.3.1, а). Эквивалентная схема заме-щения для расчета пере-ходного процесса и осциллограмма напряжения на входе ЛЭ D 2 представлены на рис.3.2.

В процессе заряда конденсатора C ток через резистор R уменьшается, что ведет к уменьшению напряжения на входе ЛЭ D 2. При достижении U _вх2= U * оба ЛЭ D 1 и D 2 вновь оказываются в активной области характеристик. В схеме опять возникает положительная обратная связь и скачок токов (напряжений). Квазиравновесная стадия завершилась – импульс сформирован (рис 3.1, б). Его длительность составляет

,

где t = C (R + r _вых), D U _л = U ¹– U ⁰. Для КМОП оценочно принимают U ⁰»0, U ¹ » + E _пит, r _вых – выходное сопротивление ЛЭ в области крутых характеристик (см. “Приложение”).

После квазиравновесной следует стадия восстановления, в течение которой в схеме происходит восстановление потенциалов и токов до первоначальных значений. Перезарядка конденсатора C через резистор R (I _раз) существенно увеличивает время восстановления. Для сокращения этой стадии в схему (см. рис.3.1, а) вводят диод VD. В течение квазиравновесной стадии диод закрыт, а на этапе восстановления он открывается и конденсатор C разряжается не через резистор R (показано пунктиром), а через выходную характеристику ЛЭ D 1 и диод VD. Это существенно ускоряет процесс восстановления, однако несколько увеличивает длительность заднего фронта импульса напряжения на выходе ЛЭ D 1. На рис.3.1, б представлены синхронизированные по времени осциллограммы в характерных точках одновибратора. Видно, что импульс на выходе ЛЭ D 2 имеет форму, близкую к прямоугольной, и его полярность соответствует перепаду напряжения от U ¹ к U ⁰. Импульс на выходе ЛЭ D 1 положительный, однако имеет искажения как вершины, так и заднего фронта, что связано с падением напряжения на ЛЭ D 1 от тока перезаряда конденсатора C.

С максимально допустимым выходным током ЛЭ D 1, в частности, связаны ограничения на минимальную величину резистора R: (см. "Приложение").

Другой вариант ЖМВ на двух инверторах И‑НЕ и осциллограммы в характерных точках представлены на рис.3.3, а.
В этой схеме для обеспечения устойчивого (ждущего) состояния на оба входа ЛЭ D 2 должен поступать высокий потенциал U ¹, при этом на входе ЛЭ D 1 возникает уровень U ⁰. Данная схема запускается отрицательным перепадом E _г (от U ¹® U ⁰) по входу _2-1 и позволяет получить на выходе ЛЭ D 2 импульс положительной полярности, близкой по форме к прямоугольной. Длительность генерируемого импульса определяется по формуле

В целом работа схемы подобна работе ЖМВ, описанной в предыдущем случае. Для уточнения деталей читателю предлагается самому разобраться в осциллограммах рис.3.3, б.

 

.
Рис. 3.3. Вариант схемы ждущего мультивибратора (а) и осциллограммы переходных процессов в характерных точках (б)

 

Варианты схем ЖМВ на ЛЭ ИЛИ‑НЕ (КМОП) представлены на рис.3.4. В отличие от схем на ЛЭ И-НЕ в схемах ЖМВ на элементах ИЛИ‑НЕ устойчивое состояние обеспечивается подачей потенциала U ⁰ на оба входа ЛЭ, по которому будет осуществляться запуск. Для

 

Рис.3.4. Варианты схем ждущих мультивибраторов на ЛЭ ИЛИ-НЕ при обеспечении ждущего режима от источника U 1 (а) и от источника U 0 (б)

 

этого, в частности, в схеме (рис. 3.4, а) на входы ЛЭ D 2 подан потенциал U ¹, что обеспечивает U _вх1-2= U _{вых 1}= U ⁰. Аналогично в схеме (рис. 3.4, б) потенциал U ⁰ подан на оба входа ЛЭ D 2.

Схемы ЖМВ на ЛЭ ИЛИ‑НЕ запускаются импульсами положительной полярности (перепадом напряжения от U ⁰ до U ¹). В идейном плане работа данных одновибраторов не отличается от рассмотренных выше случаев. Читателю рекомендуется самостоятельно разобраться в переходных процессах в этих схемах.