Длительность положительного фронта можно оценить по формуле

,

 

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 *– U_D) также происходит разряд С_экв через ЛЭ- ключ, и скорость изменения напряжения здесь такая же, как и в предыдущем случае. Однако при напряжениях U _вых ниже (U *– U_D) 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 ⁰_вх×(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 ¹_вых @ 3,6 ¸ 2,4 В (в зависимости от тока нагрузки), напряжение U ⁰_вых @ 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 ⁰_вых, I ¹_вых и соответственно напряжения U ⁰_вых, U ¹_вых 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