,
| 
|
| Рис.5.3. Осциллограммы напряжений в мультивибраторе на ЛЭ КМОП в схеме рис 5.1, а (а); в схеме рис. 5.1, б (б) |
где I с0 – выходной ток ЛЭ-ключа при разряде эквивалентной емкости (см.”Приложение”).
Форма отрицательного фронта импульса более сложная. При уменьшении напряжения U вых от U 1 до (U *– UD) также происходит разряд Сэкв через ЛЭ- ключ, и скорость изменения напряжения здесь такая же, как и в предыдущем случае. Однако при напряжениях U вых ниже (U *– UD) длительность процесса существенно возрастает. Это связано с особенностью построения входной цепи ЛЭ. Здесь установлены ограничительные диоды, предохраняющие входную цепь от значительных отрицательных напряжений. В процессе формирования второй части отрицательного фронта данные диоды открываются. Это приводит к перезарядке выходным током ЛЭ-ключа времязадающих конденсаторов C 1 и С2. Поскольку
C 1, C 2>> C экв, то соответственно увеличивается и время формирования отрицательного фронта, полная длительность которого составляет
.
На входах ЛЭ этому процессу соответствуют короткие отрицательные выбросы напряжения (см. рис.5.3).
Схемы обеспечения автоматического запуска МВ показаны на рис.5.1 как отдельные блоки (обведены пунктиром). При вклю-чении напряжения питания, например, в схеме MB (см. рис.5.1, а) возможно возникновение ситуации, когда на входах обоих ЛЭ D 1 и D 2 могут одновременно оказаться низкие потенциалы. Наиболее вероятно это ожидается в симметричном мультивибраторе. В этом случае колебания в схеме не возникнут. Для обеспечения автоматического запуска МВ используется дополнительная схема, которая для схемы (рис.5.1, а) должна выполнять логическую функцию 
. Она содержит элемент совпадения И‑НЕ (D 3) и инвертор (D 4).Ее работа: в отсутствии колебаний MB на входах ЛЭ D 1 и D 2 одновременно будут существовать низкие потенциалы. Это приведет к одновременному появлению высоких потенциалов на выходах D 1 и D 2 и соответственно на входах ЛЭ D 3, что вызовет появление высокого потенциала на выходе ЛЭ D 4 и соответственно на входе ЛЭ D 2. При этом возникает несимметричный режим работы (U вх D 1=0, U вх D 2=1), и в MB возникнут колебания.
При возникновении автоколебаний в MB попеременно на одном из входов схемы совпадений D 3 будет присутствовать низкий потенциал, что ведет к постоянному низкому потенциалу на выходе D 4. В результате резистор R 2 будет "заземлен" через малое выходное сопротивление ЛЭ D 4 (на схеме МВ условно показано пунктиром). Схема автоматического запуска практически не влияет на частоту генерируемых колебаний и используется в данных схемах МВ как обязательная составная часть.
Работа мультивибратора, построенного по варианту рис.5.1, б в идейном плане не отличается от работы автогенератора, рассмотренного выше. Читателю предлагается самому, пользуясь приведенными осциллограммами (рис.5.3, б), разобраться в его работе. Необходимо помнить, что времязадающие резисторы в данной схеме присоединены к потенциалу U 1. Соответственно несколько изменилась и схема автоматического запуска.
ЛЭ на основе КМОП одинаково хорошо работают как в схеме первого, так и второго вариантов. В качестве источника U 1 используется шина + E пит .
По принципу работы и построению схема MB на ТТЛ -
- элементах не отличается от MB на КМОП. Однако необходимо учитывать особенности их характеристик (см. "Приложение"). Эти особенности необходимо принимать во внимание при обеспечении квазиустойчивых состояний MB, а также при оценке длительности квазиравновесных стадий. В частности, для обеспечения U вх = U 0 в схеме, построенной по первому варианту (рис.5.1, а) накладываются ограничения на максимальную величину резисторов R 1 и R 2, так чтобы I 0вх×(R 1|| R 2)<1,0 В, а существенное изменение входного тока
| 
|
| Рис. 5.4. Осциллограммы переходных процессов в мультивибраторах на ЛЭ ТТЛ: для МВ по схеме рис.5.1, а (а) и для МВ по схеме рис.5.1, б (б) |
при U вх = U * может привести к усложнению переходного процесса (рис.5.4, а) при повышенной величине резисторов (R 1, R 2 ³ 1 кОм) и к возникновению повышенной нестабильности длительности гене-рируемых полупериодов колебаний (подробнее см. лаб. раб. № 4).
Более высокая стабильность час-тоты генерируемых колебаний дости-гается в схеме на ЛЭ ТТЛ, постро-енной по варианту рис.5.1, б. Осцил-лограммы генерируемых колебаний для такой схемы представлены на рис.5.4, б. Для обеспечения напряже-ния U 1=3,6 В используется параллель-ный стабилизатор на основе стабили-трона КС136 либо "свободный" ЛЭ ТТЛ (рис.5.5).
Задание
1. Исследовать работу симметричного MB. Тип ЛЭ задается преподавателем. Проанализировать осциллограммы в характерных точках схемы. Оценить период колебаний, сравнить с расчетным.
2. Исследовать несимметричную схему МВ. Снять зависимость периодов колебаний T 1 и T 2 от величины резисторов R 1, R 2.
3. В одном из режимов оценить длительность положительных и отрицательных фронтов импульсов на выходах MB.
Библиографический список
1. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. – М.: Радио и связь, 1981. – С. 136 – 140, 147 – 149.
2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высш. шк., 1991. – С. 585 – 597.
3. Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. – М.: Радио и связь, 1991. – С. 80 – 123.
4. Каретников И.А., Соловьев А.К., Чарыков Н.А. Транзисторные ключи: Лабораторные работы № 1 – 5. – М.: Изда-тельство МЭИ, 2004.
ПРИЛОЖЕНИЕ
В целях обеспечения лучшего понимания студентами работы мультивибраторов и триггеров на логических элементах, а также для обеспечения грамотных расчетов в приложении приведены электрические схемы и основные характеристики для наиболее популярных ЛЭ: ТТЛ (К155ЛА3) и КМОП (К561ЛА7 -ЛЕ5, -ЛН1).
ЛЭ К155ЛА3 выполняет логическую функцию И-НЕ и имеет уси-литель мощности. Его электрическая схема приведена на рис. П.1.
|
| Рис.П.1. Электрическая схема (а), обозначение ЛЭ (б), таблица состояний (в) для ЛЭ К155ЛА3 |
Многоэмиттерный транзистор VT 1 обеспечивает логическую функцию "И", транзистор VT 2 – функцию "НЕ", транзисторы VT 3, VT 4 – усилитель мощности. Основные характеристики (входная, передаточная и выходные) приведены на рис. П.2, а, б, в соответ-ственно.
Необходимо обратить внимание, что напряжение питания ЛЭ E пит =5 В, напряжение U 1вых @ 3,6 ¸ 2,4 В (в зависимости от тока нагрузки), напряжение U 0вых @ 0,2 ¸ 0,4 В, а напряжение переключения U * = 2 U БЭ @ 1,4 В.
|
| Рис.П.2. Входная (а), передаточная (б) и выходные (в) характеристики ЛЭ К155ЛА3 |
Входная характеристика при напряжениях меньше U * имеет значительный вытекающий ток (до 1 мА), а при напряжениях больше U * – входной ток @ 0. На входах ЛЭ установлены охранные диоды VD 1 и VD 2 (рис. П.1), пре-дохраняющие вход от появления значительных отрицательных напряжений.
Электрические схемы, обозначения схем как логических элементов и таблицы состояний для КМОП-элементов приведены в табл. П.1. Для ЛЭ на основе КМОП характерно весьма высокое входное сопротивление: I вх = I ут @ 0,1мкА (T=200C) ¸ 1 мкА
(T=850C), что определяется токами утечки охранных диодов. Напряжение переключения ЛЭ, как правило, составляет U *= E пит / 2.
Максимально развиваемые выходные токи I 0вых, I 1вых и соответственно напряжения U 0вых, U 1вых определяются моментом выхода на пологие участки выходных ВАХ и зависят от величины напряжения E пит (конкретные величины приведены на рис. П.3, б).
| Таблица П.1 | |||
| Тип ЛЭ | Электрическая схема | Обозначение ЛЭ | Таблица состояний |
| ЛЭ - ИЛИ-НЕ | 
|
|
|
| ЛЭ И-НЕ | 
|
|
|
| ЛЭ-НЕ | 
|
|
|
| 
|
| |
| Рис. П.3. Передаточная (а) и выходные характеристики (б) для ЛЭ К561ЛЕ5 |
СОДЕРЖАНИЕ
Лабораторная работа № 1.
ИЗУЧЕНИЕ ТРИГГЕРОВ............................. 3
Лабораторная работа № 2.
ТРИГГЕР ШМИДТА................................. 12
Лабораторная работа № 3.
ЖДУЩИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР.................................17
Лабораторная работа № 4.
МУЛЬТИВИБРАТОР С ОДНИМ ВРЕМЯЗАДАЮЩИМ КОНДЕНСАТОРОМ..................................23
Лабораторная работа № 5.
МУЛЬТИВИБРАТОР С ДВУМЯ ВРЕМЯЗАДАЮЩИМИ
ЦЕПЯМИ......................................... 30
ПРИЛОЖЕНИЕ.....................................36
Учебное издание
Каретников Игорь Александрович
ТРИГГЕРЫ И МУЛЬТИВИБРАТОРЫ
НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ
Лабораторные работы № 1 — 5
Методическое пособие
по курсу
«Электронные цепи и микросхемотехника»
для студентов, обучающихся по направлению
«Микроэлектроника и твердотельная электроника»
Редактор Н. А. Чарыков
Редактор издательства Г.Ф. Раджабова
Темплан издания МЭИ 2005 (II), метод.
Подписано в печать Печать офсетная
Формат бумаги 60 
84/16
Физ. печ. л.2,5
Тираж 150 Изд. № 72 Заказ
Издательство МЭИ, 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14
