ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ЦИФРОВЫХ ИМС

May 29, 2010 by admin Комментировать »

С. Андрианов

Цифровые ИМС широко используют при разработке и создании многих импульсных устройств, так как при этом не требуется расчет транзисторных ключей, не надо согла­совывать уровни напряжений сигналов при работе этих устройств с однотипной логикой.

Рассмотрим некоторые из таких устройств на основе цифровых ИМС. При анализе их работы все р-n переходы будем считать идеальными ключами с пороговым напря­жением Uo.

Начнем с устройства задержки фронта импульса [1, 2], являющегося основой всех рассматриваемых далее устройств. На его примере, к тому же, легче всего уяснить особенности работы импульсных устройств на цифровых ИМС.

Схемы устройства показаны на рис. 1, а эпюры напря­жений и токов в различных его цепях — на рис. 2 (здесь и далее примеры устройств приводятся применительно к ДТЛ микросхемам серии К217, что не ограничивает общности выводов применительно к ТТЛ микросхемам). В исходном состоянии на вход устройства (рис. 1, б) подан сигнал логического 0, т. е. ток i0 отводится на общий про­вод через открытый ключ предыдущего элемента. Конден­сатор С1 заряжен до напряжения Uo открытого диода VI. В момент времени tx (рис. 2) на вход приходит сигнал логической единицы, что эквивалентно отключению входа устройства от общего провода. Диоды VI, V3 закрываются и отключают источник сигнала от входа устройства.

Теперь ток I0 заряжает конденсатор С1 до напряжения 2U0. При этом напряжение в точке b становится равным 3U0. Открываются диоды V4, V5 и транзистор V6 — на выходе устройства появляется инвертированный задержан­ный фронт входного импульса.

При прохождении среза вход устройства снова замкнет­ся на общий провод, диоды V2, V4 и V5 закроются, а кон­денсатор С1 за очень короткое время разрядится через диод VI до напряжения Uo. Транзистор V6 закроется, и устройство примет исходное состояние. Чтобы задержка фронта входного импульса была без инверсии, на выходе устройства должен быть инвертор.

clip_image002

Рис. 1. Функциональная (а) и принципиальная (б) схемы устрой­ствй задержки фронта импульсов

Устройство задержки среза импульса, схема и времен­ные диаграммы работы которого показаны на рис. 3, отли­чаются от устройства задержки фронта импульса [1, 2] только тем, что на его вход подается инвертированный сиг­нал. А так как оно управляется положительным перепадом напряжения, то происходит задержка среза входного импульса.

Следующее импульсное устройство — устройство за­держки импульса. Оно по существу представляет собой два каскада задержки фронта. Пройдя через первый кас­кад, импульс инвертируется с задержкой фронта, второй же каскад работает точно так же, как и в предыдущем устрой­стве. В результате задержки фронта и среза на одно и то же время поступивший на вход импульс оказывается за­держанным во времени с сохранением его прежней дли­тельности.

clip_image004

Рис. 2. Временные диаграммы напряжений и токов в цепях устрой­ства задержки фронта импульсов

Схема устройства задержки и временная диаграмма его работы показаны на рис. 4. Недостаток такого устройства заключается в том, что оно обрабатывает импульсы, дли­тельность которых не меньше времени задержки. Этот его недостаток можно устранить, если вслед за устройством задержки среза каскадно включить устройство задержки фронта и выходной сигнал проинвертировать. При этом времена задержки везде должны быть равны. Однако число логических элементов, а следовательно, паразитная за­держка распространения сигнала здесь вдвое больше, чем В предыдущем устройстве.

clip_image006

Рис. 3. Устройство задержки среза импульсов:

а — функциональная схема; б — временные диаграммы напряжений

Эти особенности определяют области использования рассмотренных устройств временной задержки. Второе из них лучше применять, когда длительность импульса или соотношение длительностей неизвестно.

Формирователь импульсов [1,2] заданной длительности (рис. 5) состоит из элемента совпадения D2 (2И-НЕ), на один из входов которого входной импульс подается не­посредственно, а на другой — с задержкой фронта и с инверсией. Выходным сигналом является импульс логиче­ского нуля, длительность которого равна времени задержки фронта входного импульса.

clip_image008

Рис. 4. Устройство временной задержки импульсов:

а — функциональная схема; 6 — временные диаграммы напряжений

clip_image010

Рис. 5. Устройство формирования импульсов заданной длитель­ности: а — функциональная схема; б — временные диаграммы напряжений

На основе такого устройства можно сконструировать преобразователь частота-напряжение. Для этого достаточ­но на выходе его включить интегрирующую цепочку. Прин­цип работы преобразователя заключается в том, что по­стоянная составляющая периодического импульсного сиг­нала обратно пропорциональна скважности (отношению периода к длительности импульса), а, следовательно, при постоянной длительности прямо пропорциональна частоте [3, 4]. Постоянная составляющая импульсного напряжения выделяется интегрирующей цепочкой.

Следующее импульсное устройство — автоколебатель­ный мультивибратор [5], схема которого изображена на рис. 6. Он состоит из двух одинаковых (симметричный слу­чай) формирователей импульсов заданной длительности, собранных на элементах DlDf, диодах VI, V2, и конден­саторах С1 и С2. Элемент D5 предназначен для запуска мультивибратора и установления автоколебательного ре­жима работы после включения питания. Период колебаний определяется суммой длительностей импульсов, формируе­мых в плечах мультивибратора.

Устройство работает следующим образом. После вклю­чения питания, когда конденсаторы С1 и С2 еще не заря­жены, на выходах плеч мультивибратора наблюдается сиг­нал логической единицы. Элемент D5 вырабатывает сигнал логического нуля, т. е. замыкает соответствующий вход эле­мента D1 на общий провод. Следовательно, возможность заряжаться получает только конденсатор С2. С момента начала зарядки конденсатора С2 и до конца формирования импульса элементами D2, D4 на выходе элемента D4 и на соответствующем входе элемента D1 поддерживается сиг­нал логического нуля, который не позволяет конденсатору С1 заряжаться до тех пор, пока не закончится цикл заряд­ки конденсатора С2, и наоборот. Так как теперь на входах. элемента D5 поочередно появляются сигналы логического нуля и единицы в противофазе, то на выходе элемента D5 все время наблюдается сигнал логической единицы и он практически не оказывает влияния на дальнейшую работу устройства.

Ждущий мультивибратор [1, 2] представляет собой совокупность устройства задержки фронта и RS-триггера, состояние которого изменяется логическим нулем (рис. 7). Импульсы запуска, являющиеся сигналами логического ну­ля, попадают на вход элемента D2. В исходном состоянии на выходе этого элемента логический нуль, а на выходе элемента D3 — единица. Триггер будет находиться в таком состоянии сколь угодно долго, пока не поступит импульс запуска.

clip_image012 clip_image014

Рис. 6. Функциональная схема ав­токолебательного мультивибратора

Рис. 7. Функциональная схе­ма ждущего мультивибра­тора

В момент запуска триггер переключается в другое со­стояние, и с выхода элемента D2 на вход устройства за­держки фронта, образованного элементом D1, диодом VI и конденсатором С1, приходит сигнал логической единицы. Устройство задержки инвертирует сигнал с задержкой по времени, что обеспечивает обратное переключение триггера и восстановление исходного состояния.

Рассмотренный здесь ждущий мультивибратор имеет два выхода: для импульсов логического нуля — выход эле­мента D3, для импульсов логической единицы — выход элемента D2.

Расчет временных характеристик не представляет собой сложности. Анализ переходных процессов в устройстве по схеме рис. 1, б для времени задержки фронта tад дает сле­дующее выражение:

clip_image016 (1)

где Ual — напряжение питания.

При малом значении отношения Uo/Un1 можно восполь­зоваться приближенной формулой

clip_image018 (2)

тогда при U0=0,7 В, Uп1=6 В относительная погрешность расчетного времени задержки составит менее 6 %, а при U0=0,7 В и UП1 = 5 В — менее 8 %.

Температурная стабилизация рассмотренных импульс­ных устройств может осуществляться путем задания со­ответствующей температурной зависимости питающих на­пряжений смещения так, чтобы скомпенсировать темпера­турный дрейф порогового напряжения р-n переходов. Из выражения (1), при учете температурной зависимости толь­ко Uo и Unl, получается выражение температурного дрейфа времени задержки:

clip_image020 (3)

Приравняв величину температурного дрейфа времени задержки нулю и решив полученное уравнение относитель­но температурного дрейфа напряжения источника смеще­ния, в рассматриваемом примере (см. рис. 1, б) — UnU по­лучим требуемую зависимость питающего напряжения от температуры, обеспечивающую стабилизацию времени за­держки при изменении температуры окружающей среды:

clip_image022 (4)

clip_image024

Рис. 8. Схема источника на­пряжения смещения (пита­ния) с температурной зави­симостью выходного напря­жения для компенсации теп­лового дрейфа

Рассмотрим теперь расчет источника напряжения с требуе­мой температурной зависимостью. Для примера возьмем стабилиза­тор, выполненный по схеме рис. 8. Здесь полевой транзистор V4 — источник стабильного тока. С кол­лектора транзистора V5 снима­ется образцовое напряжение. На транзисторе V6 собран усилитель тока. Нагрузкой Rn являются параллельно соединенные цепи смещения логических элементов, требующих стабилизацию напря­жения смещения с определенной температурной зависимостью. Чтобы температурная зависи­мость выходного напряжения со­ответствовала необходимым тре­бованиям, должно выполняться соотношение

clip_image026 (5)

Предположим, требуется стабилизировать с описанной здесь температурной зависимостью напряжение смещения у трех логических элементов серии К217. Известно: UП1 = =6 В, U0 = 0,7 В [4], Rl = 6 кОм (получено измерением, см. рис. 1, б). По формуле (5) получаем Kи — 4,78. Нагруз­ка R11 — это параллельно соединенные три резистора R1. Транзистор V6 может быть КТ603А с коэффициентом h21Э, равным 10 [6]; входное сопротивление такого эмиттерного повторителя составит около 20 кОм.

Чтобы не учитывать влияние входного сопротивления эмиттерного повторителя V6, возьмем резистор R3 сопро­тивлением 2,2 кОм, тогда из формулы (5) следует, что сопротивление резистора R2 должно быть 460 Ом.

Для обеспечения номинального напряжения на выходе стабилизатора с учетом падения напряжения на переходе эмиттер — база транзистора V6 необходимо, чтобы на ре­зисторе R3 падало напряжение, равное 6,7 В. Для этого нужно установить ток коллектора транзистора V5, равный 3 мА, подав на его базу напряжение смещения 2,1 В. Падение напряжения на диодах VI..УЗ составит 2,1 В, поэтому сопротивление R1 — 0. Можно использовать любые кремниевые диоды, однако лучше всего подойдут диоды

КД503А, через которые потечет стабильный ток стока поле­вого транзистора V4. Наиболее подходящим является тран­зистор КЛ302А с начальным током стока Iсо=10 мА [6]. Напряжение питания стабилизатора Ua выбирают на­столько большим, чтобы все транзисторы работали в актив­ной области. Для этого необходимо выполнить условие

Un > kUKn + Iк (R, + R3), (6)

где UKn — напряжение насыщения транзистора V5 при за­данном Iк, к — коэффициент запаса (1,5…2,0).

Для нашего примера Ua должно быть больше 8,13 В. Выберем 9 В. На этом расчет стабилизатора заканчива­ется.

Управлять временными характеристиками импульсных устройств рассмотренного типа можно путем замыкания части тока i0 на общий провод. Ток i1, заряжающий кон­денсатор С1, уменьшается на значение отводимого из точ­ки b тока i2. Тогда, воспользовавшись формулой (2), пре­образованной в формулу

clip_image028 (7)

где i1 — ток, заряжающий конденсатор С1, получим упро­щенное выражение для зависимости времени задержки фронта от тока, замыкаемого на общий провод:

clip_image030 (8)

В устройстве задержки фронта импульса по схеме рис. 9 время задержки управляется напряжением, подаваемым на модулирующий вход. Это напряжение может быть как постоянным (медленно изме­няющимся), так и пульси­рующим.

Токоотводом служит транзистор VI, ток через ко­торый определяется управ­ляющим напряжением и но­миналами резисторов R1,R2. Резистор R1 играет роль ограничителя тока базы (Транзистора VI. Резистор R2 влияет на линейность моду­ляционной характеристики и на динамический диапазон управляющих напряжений.

clip_image032

Рис. 9. Схема устройства задерж­ки фронта импульса с модулятором времени задержки

Ток i1 ограничивается требован-ием обеспечения работы транзистора V8 в ключевом режиме. Практически это озна­чает, что

i1 макс = i0 — iбн. (9)

Здесь i1mакс — максимальное значение отводимого тока, fcн — ток насыщения базы транзистора V8, равный

clip_image034 (10)

clip_image036

Рис. 10. Функциональные схемы устройств задержки фронта им­пульса с различными способами модуляции времени задержки: а — управляющим напряжением; б — управляющим током

Из формул (9) и (10) определяется максимальное зна­чение отводимого тока:

clip_image038 (11)

Для микросхем серии К217 i1макс=0,8б мА. По известно­му значению максимально отводимого тока можно рассчи­тать токоотвод.

Модуляция управляющим напряжением в устройстве по схеме на рис. 10, а осуществляется при сопротивлении R1=/=О и R2=/=0. В этом случае разброс параметров тран­зистора практически не влияет на значение отводимого то­ка. При выборе транзистора с коэффициентом h21Э>10, когда током базы можно пренебречь, расчет модулятора упрощается. В этом случае отводимый ток, приближенно равный току эмиттера, равен

clip_image040 (12)

где Uбэ — напряжение база — эмиттер транзистора: для кремниевых транзисторов можно принять: 0,7 В, для гер­маниевых — 0,4 В.

Сопротивление резистора R2 можно вычислить по фор­муле (12).

При расчете транзистора-токоотвода такого варианта модуляции следует иметь в виду, что при увеличении со­противления резистора R2 транзистор-токоотвод может ока­заться в насыщении. Это обязательно нужно проверять, исходя из условия (см. рис. 9)

clip_image042 (13)

Модуляция управляющим током по схеме рис. 10, б осуществляется большим сопротивлением резистора R1. В этом случае ток базы транзистора V2 равен

i6=Uупр/R1, (14)

а ток коллектора V2, он же и, равен

i1 = h21Э iб. (15)

Из формул (14) и (15) следует зависимость отводимого тока от управляющего напряжения:

clip_image044 (16)

Для расчета сопротивления резистора R1 необходимо в формулу (16) подставить: Uупр. = UулР.маКс — максималь­ное значение управляющего напряжения, i1 = i1Макс — мак­симальное значение отводимого тока из (11), h21Э= = h21эмакс — максимальное значение h2i3 транзистора-токо­отвода.

Но такой способ модуляции обладает существенным не­достатком, связанным с непостоянством тока i1 из-за раз­броса параметра h21Э транзистора-токоотвода.

При расчете модуляторов рекомендуется пользоваться входными и выходными характеристиками транзисторов, используемых в качестве токоотводов. В качестве токоотво-дов можно применять не только биполярные, но и полевые транзисторы.

При необходимости температурной стабилизации токо­отводов расчеты ведутся аналогично расчетам температур­ной стабилизации усилительных каскадов.

При использовании рассмотренных способов модуляции временных характеристик импульсных устройств можно конструировать:

преобразователь напряжение — шим (широтно-импульс-ная модуляция) из ждущего мультивибратора или из фор­мирователя импульсов заданной длительности;

преобразователь напряжение — вим (время-импульсная модуляция) из устройств задержки;

преобразователь напряжение — частота . из автоколеба­тельного мультивибратора, но с применением токоотводов в каждом плече мультивибратора.

Эти преобразователи вырабатывают сигналы со спект­ром, ширину которого можно регулировать напряжением. Поэтому они могут найти применение и при конструирова­нии электромузыкальных инструментов.

Описанные импульсные устройства могут быть скон­струированы на логических элементах микросхем ДТЛ серий: К217, К121, К194. Из ТТЛ микросхем можно исполь­зовать серии К133, К155, К158 и другие. От ранее опубли­кованных аналогичных устройств [7] [8] разобранные здесь выгодно отличаются тем, что содержат меньше дискретных компонентов на один логический элемент, а следовательно, налаживание их сокращается до мини­мума.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты