Применение логических элементов – Цифровая техника – ЧАСТЬ 2

May 26, 2015 by admin Комментировать »

Шмитта, а также напряжение гистерезиса рассчитываются по формулам (11)…(13). Если сигнал снимается с инверсного выхода, то выражения, стоящие слева от знака равенства в формулах (11) и (12), нужно поменять местами.

Добавив в схему на рис. 1 47, в резистор и конденсатор, можно получить генератор импульсов (рис. 1.47, г). Частота выходного сигнала такого генератора зависит от гистерезиса, напряжений переключения и питания микросхемы; определяется она по не очень простой формуле, поэтому приводить ее здесь я не буду. Скажу лишь, что частота такого генератора, при тех же номиналах резистора R3, конденсатора С1 и напряжении гистерезиса, около 1…1,5 В. Определяется по той же формуле, что и у генератора на рис. 1.47, а. При напряжении гистерезиса больше половины напряжения питания она превышает частоту генераторов, изображенных на рис. 1.46. Но все это очень приблизительно.

У генератора, изображенного на рис. 1.47, г, есть только одно ограничение: сопротивление резистора R3 для устойчивой работы генератора должно быть в

2..           .3 и больше раз меньше сопротивления резистора R2. При большом сопротивлении резистора R3 резистор R2 «мешает» конденсатору С1 заряжаться, и он может попросту не зарядиться до напряжения переключения — генератор остановится. «Микросхемные» триггеры Шмитта (см. рис. 1.47, а) собраны по оригинальной технологии, у них резистора R2 между входом и выходом нет, и входное сопротивление таких элементов, как и всех остальных КМОП-схем, близко к бесконечности. То есть никаких ограничений на максимальное сопротивление частотозадающего резистора у них нет.

Как уже, наверное, заметил читатель, в генераторах на основе триггеров Шмитта можно использовать любые конденсаторы, в том числе и полярные (танталовые, электролитические). В генераторах на основе логических элементов (рис. 1.46) полярные конденсаторы использовать нежелательно, хотя и можно. Дело в том, что у таких генераторов на обкладках конденсатора присутствует переменное напряжение, а омическое сопротивление (не путать с емкостным!) у «неправильно» включенного полярного конденсатора гораздо меньше, чем при «правильном» включении. То есть при «неправильном» включении выводы конденсатора как бы замыкаются через резистор небольшого сопротивления (сотни ом). Но, несмотря на это, электролитические конденсаторы неплохо работают и в генераторах на рис. 1.46. Связано это с тем, что омическое сопротивление «неправильно» включенного полярного конденсатора становится значительным только при напряжении на конденсаторе, больше трети максимально допустимого напряжения. Положительный полюс конденсатора в схемах на рис. 1.46 лучше всего соединять с выходом второго инвертора.

Во всех схемах генераторов на КМОП-микросхемах есть несколько ограничений:

• Минимальная емкость частотозадающего конденсатора — 33… 100 пФ, максимальная — 10…100 мкФ. При меньшей емкости этого конденсатора генератор будет работать неустойчиво, так как параллельно ему будут включены паразитные емкости монтажа и входная емкость микросхемы. Эти емкости имеют значительную величину и их влияние на выходной сигнал генератора предсказать очень сложно. При емкости конденсатора более 100 пФ паразитные емкости можно не учитывать — они становятся ничтожно малыми.

•                Минимальное сопротивление частотозадающего резистора — 10 кОм, максимальное — 1 МОм. При меньшем сопротивлении резистор начнет шунтировать («закорачивать») логический элемент и стабильность генератора ухудшится. Кроме того, от сопротивления этого резистора зависит потребляемый микросхемой ток, он примерно равен 1сс = Ucc/R (закон Ома). При сопротивлении этого резистора более 1 МОм на частоту генератора начинает влиять атмосферная влажность, ток утечки частотозадающего конденсатора, диэлектрические свойства платы и многое другое.

•                Максимальная частота генератора на основе микросхем серии К176 — 1,2 МГц, серий К561, К564 — до 1,5 МГц; минимальная длительность импульсов равна соответственно 800 и 600 нс (0,8 и 0,6 мкс). При увеличении напряжения питания максимальная частота также увеличивается и достигает 2 МГц. При уменьшении напряжения питания она также уменьшается, при Ucc = 3 В она не превышает 500.. 1000 кГц для большинства микросхем перечисленных выше серий.

•                Максимальный выходной ток для большинства логических элементов не превышает 10…20 мА. Если нужен большой ток, на выходе нужно поставить усилитель (например, составной эмиттерный повторитель — см. рис. 1.36) Если нужен ток в 20…30 мА, то несколько одинаковых логических элементов, входящих в состав одной и той же микросхемы, можно соединить параллельно (рис. 1.48). Триггеры Шмитта так включать нельзя. Это относится и ко всем остальным устройствам с гистерезисом переключения.

Рис. 1.48. Параллельное включение нескольких однотипных логических элементов для увеличения выходного тока (уменьшения выходного сопротивления)

До сих пор мы рассматривали генераторы только на основе одновходовых логических элементов. Такие схемы выгодно использовать только там, где генератор должен работать постоянно (например, электронные часы). Но в некоторых устройствах периодически возникает надобность остановить (затормозить, заморозить) генератор, чаще всего для того, чтобы уменьшить потребляемый микросхемой ток (работающийгенератор потребляет ток, примерно равный, как уже упоминалось выше,а неработающий — практически нулевой ток), но иногда и по другим причинам.

В принципе остановить можно и генератор на основе двух инверторов, замыкая частотозадающий резистор через диод логическим уровнем с выхода управляющей схемы (рис. 1.49, а). Полярность включения диода зависит от полярности управляющих сигналов.

Рассмотрим схему на рис. 1.49, а. При подаче на левый по схеме вывод диода VD1 (анод) уровня лог. «0» диод закрыт и не мешает работе генератора (для того чтобы он открылся, нужно, чтобы напряжение на входе логического элемента стало на 0,7…1 В меньше нуля, а такого, при исправных защитных диодах, никогда не бывает). При подаче на анод диода уровня лог. «1» диод открывается и пропускает этот уровень на вход логического элемента. На его выходе устанавливается уровень лог. «0», но так как сопротивление резистора R1 гораздо больше прямого сопротивления диода и выходного сопротивления источника управляющего сигнала, то переключения элементов не происходит и генерация «срывается». На выходе элемента DD1.2 присутствует постоянный уровень лог. «1». При подаче на анод диода уровня лог. «0» генератор практически мгновенно «заводится».

Аналогично работает и нижняя схема, только в ней противоположная полярность управляющих импульсов.

У обеих схем, изображенных на рис. 1.49, в режиме «стоп» на выходе элемента DD1.1 присутствует уровень, противоположный уровню на входе, и на выводах резистора R1 падает практически полное напряжение питания. Поэтому потребляемый такой схемой ток практически одинаков как в рабочем, так и в нерабочем состоянии, следовательно, экономичность таких схем близка к нулю.

Вообще схемы генераторов можно сравнить с двумя видами транспортных средств — автомобилем и электротележкой (каром). Двигатель у автомобиля работает постоянно и жжет бензин даже тогда, когда он стоит на светофоре. У тележки же мотор включается только для увеличения скорости, а все остальное время он выключен. Отсюда видно, что экономичность (КПД) у электротележки гораздо выше, чем у автомобиля.

Дальше нами будут рассмотрены схемы «электротележки».

Схема генератора на основе логического элемента 2И-НЕ (цифра «2» означает количество входов) изображена на рис. 1.50, а, а генератора на основе элемента 2ИЛИ-НЕ — на рис. 1.50.

При подаче на один из входов элемента «2И-НЕ» уровня лог. «1» он работает как обычный инвертор (см. таблицу истинности на рис. 1.42, а), конденсатор С1 периодически заряжается/разряжается через резистор R1 и на выходе генератора присутствуют импульсы с некоторой частотой (она определяется по той же формуле, что и для обычных одновходовых инверторов). Но когда на вход

Рис. 1.49. «Останов» генераторов на инверторах с помощью управляющих логических уровней

Рис. 1.50. «Останов» генераторов на основе многое кодовых логических элементов: а — генератора на основе элемента «2И-НЕ»; б — элемента «2ИЛИ-НЕ»; в — элемента «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ»; г — «неправильная» остановка генератора: д — то. что при этом получается; е — усилитель аналогового сигнала на основе цифрового логического элемента; ж — интегратор; з — временные диаграммы интегратора на основе логического элемента элемента поступает уровень лог. «0», на его выходе устанавливается «единица» независимо от уровня сигнала на всех остальных входах. То есть генерация срывается на втором входе логического элемента DD1.1. Через резистор R1 устанавливается уровень лог. «1». а на выходе генератора — уровень лог. «0». Кстати, сигнал можно снимать и с выхода первого инвертора, там в это время уровень лог. «1».

Аналогично работает и генератор на элементе 2ИЛИ-НЕ. только для него все сигналы имеют противоположную амплитуду.

Как видно из рисунков и описаний, в режиме «стоп» и ток через резистор R1 практически не течет, он зависит только от входного тока микросхемы и тока утечки конденсатора С1. Оба эти параметра у исправных приборов близки бесконечности, т. е. потребляемый генератором в этом режиме ток практически равен нулю.

Поэтому такие схемы очень широко используются в устройствах с пониженным энергопотреблением. Впрочем, подробнее об этом можно узнать чуть ниже. В обеих схемах второй логический элемент можно заменить любым инвертором, в том числе и на транзисторе. Логические элементы использованы здесь (в качестве DD1.2) только для того, чтобы не рисовать на такой простой схеме две микросхемы. Как видно из двух верхних строчек таблиц на рис. 1.42, о и б, присоединенных вместе входах оба типа логических элементов работают одинаково — они инвертируют входной сигнал (имеются в виду элементы с инверсным выходом).

Генератор можно собрать и на элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Для работы в таком режиме понадобятся два логических элемента, работающих как инверторы, т е. на один из входов обоих элементов нужно подать уровень лог. «0» (см. рис. 1.42, в). Схема такого генератора изображена на рис. 1.50, в, и она практически не отличается от рассмотренных выше, «тормозится» генератор подачей уровня лог. «1»на вход первого элемента, при этом он из инвертора «превращается» в повторитель. На выходе элемента DD1.2 (его можно заменить любым инвертором) в это время присутствует сигнал с любым уровнем — или лог. «0», или лог. «1». Его можно изменить, подав на вход элемента DD1.1, соединенный с резистором и конденсатором, противоположный логический уровень.

Во всех рассмотренных выше схемах останавливать генератор можно, только блокируя первый элемент. Второй элемент (инвертор) «трогать» нельзя.

Рассмотрим, например, схему генератора на основе логических элементов 2ИЛИ-НЕ, у которого блокируется второй инвертор (рис. 1.50, г). При подаче на управляющий вход на выходе элемента DD1.2 устанавливается уровень лог. «0» независимо от сигнала на втором входе, и всю схему генератора, находящегося в таком режиме, можно представить в виде, изображенном на рис. 1.50, д. Эта схема очень похожа на схему включения триггера Шмитта, за исключением разве что того, что у последнего сигнал снимается с выхода элемента, а не с общего провода. Но это так, черный юмор…

В остановленном таким способом генераторе на выходе и в самом деле появится постоянный уровень лог. «0», но ток потребления генератора, находящегося в таком режиме, не то что не снизится, но, возможно, он даже увеличится.

Рассмотрим подробнее схему на рис. 1.50, д. Так как логический элемент, в отличие от триггера Шмитта, гистерезисом переключения не обладает, то через резистор R1 на его выходе установится напряжение, равное напряжению переключения. Конденсатор С1 пока можно не учитывать. Но, как известно, именно в таком режиме сквозные токи через ключевые транзисторы достигают своей максимальной величины! Поэтому потребляемый микросхемой ток очень резко увеличивается, а от избытка выделяющейся на кристалле мощности он может перегреться.

Но самое интересное следующее. Для всех инверторов (кроме триггеров Шмитта) такой режим работы очень неустойчив, и они крайне чувствительны к любым, даже самым малым изменениям напряжения на входе. И если убрать из схемы конденсатор С1, у нас получится усилитель сигнала с большим коэффициентом усиления по напряжению и практически бесконечным по току (рис. 1.50, е). Коэффициент усиления по току у такого усилителя зависит только от величины сопротивления резистора R2, а коэффициент усиления по напряжению — от соотношения R2/R1. Конденсаторы С1 и С2 — развязывающие, необходимые для согласования напряжения переключения логического элемента (его постоянной составляющей) с постоянной составляющей источника сигнала и нагрузки логического элемента. Коэффициент усиления по напряжению одного каскада нельзя делать больше 10…20, а если нужны большие коэффициенты. то можно несколько усилителей на отдельных элементах соединить последовательно, при этом их суммарный коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов усиления всех отдельных усилителей.

Но, несмотря на возможность работы в таком режиме, использовать логические элементы в качестве усилителей переменного напряжения я не рекомендую. По моему мнению, зубы и унитаз лучше всего чистить разными щетками, а не одной и той же. Для линейного усиления сигнала существуют операционные усилители, которые предназначены для работы как с цифровым, так и аналоговым сигналом. У операционных усилителей нет сквозных токов, у них более высокие коэффициенты усиления, они имеют гораздо лучшую амплитудно-частотную характеристику… Кроме того, операционных усилителей, так же как и логических элементов, в одном корпусе может быть до полудесятка штук. А цифровые микросхемы должны работать только в цифровом режиме.

Если мы попытаемся таким же образом остановить генератор, изображенный на рис. 1.50, в, переведя второй элемент из режима инвертора в режим повторителя, то у нас из генератора получится черт знает что, но если убрать конденсатор С1, то получится линейный усилитель (рис. 1.50, е), а если убрать резистор R1 и перевести первый элемент в режим повторителя, то из генератора получится интегратор (рис. 1.50, ж).

В основе интегратора лежит интегрирующая RC-цепочка, которую часто называют фильтром нижних частот (см. рис. 1.6). Как нам уже известно, чем выше частота входного сигнала, тем меньше его амплитуда на выходе интегрирующей цепочки, причем амплитуда выходного сигнала экспоненциально зависит от частоты.

Интегратор работает по несколько более жесткому принципу: пока частота сигнала слишком мала, его амплитуда не ограничивается, и на выходе интегратора присутствует сигнал с той же частотой и амплитудой, что и на входе (правда, этот сигнал немного сдвинут по времени относительно входного) Как только частота входного сигнала пусть даже немножко превысит некоторую частоту среза, на выходе установится постоянный уровень, не зависящий от входного сигнала. Интеграторы очень часто используются в цифровой технике, так как только они абсолютно нечувствительны к возникающим сплошь и рядом высокочастотным помехам.

Все рассмотренные выше схемы генераторов на самом деле являются интеграторами, интегрирующий конденсатор которых через токоограничивающий резистор заряжается инверсным напряжением. И именно благодаря интегрирующим свойствам конденсатора эти схемы (кроме генератора на основе триггера Шмитта) именно переключаются, а не переходят в линейный режим со всякими присущими ему сквозными токами и пр.

Рассмотрим работу интегратора. В этом нам помогут временные диаграммы, нарисованные на рис. 1.50, з. Когда на вход устройства (диаграмма 1) приходят слишком короткие импульсы, конденсатор С1 попросту не успевает заряжаться через резистор R1, и напряжение на выходе микросхемы не изменяется. Но как только импульсы становятся достаточно «длинными», конденсатор заряжается до напряжения переключения (2) и уровень на выходе повторителя DD1.1 меняется на противоположный. При этом напряжение на входе логического элемента через конденсатор С1 резко увеличивается (уменьшается) и ограничивается защитными диодами. Если на выходе интегратора должны быть импульсы с максимальной крутизной, то последовательно с конденсатором С1 нужно подключить резистор сопротивлением около 1 кОм. Его сопротивление должно быть гораздо меньше (в 10… 100 раз) сопротивления резистора R1.

Минимальную длительность уровня лог. »0» на входе схемы, изображенной на рис. 1.50, ж, которая вызовет переключение интегратора, можно определить по эмпирической (т. е. приближенной, найденной экспериментально, а не теоретически) формуле Tumin »1,1· RC, а минимальную длительность уровня лог. « 1 « — по формуле Τ,γπϊπ » 0,55 · RC, где R — в мегаомах, а С — в микрофарадах.

Как видно из сравнения этих двух формул, интегратор на основе логического элемента весьма далек от идеала — минимальные длительности импульсов различаются почти в 2 раза, из-за чего при высокочастотном меандре (меандр — симметричный цифровой сигнал переменного тока с крутыми фронтами и спадами импульсов; длительность импульса равна длительности паузы) на входе интегратора на его выходе будет уровень лог. «!». А если длительность импульсов меандра меньше T0min, но больше Τ,γπϊπ, то в уровень лог. »1» интегратор переключаться будет, а в уровень лог. »0» — нет. Связано это с тем, что напряжение переключения логического элемента не равно половине напряжения питания, а равно примерно 1/3 от него, из-за чего при напряжении питания 9 В и уровне лог. ^l» на входе конденсатор С1 должен зарядиться до напряжения 3-0 = 3 (В), а при уровне лог. »1» — до 3-9 =-6 (В). Знак »минус» означает, что конденсатор не заряжается (относительно общего провода), а разряжается. Поэтому интеграторы на цифровых микросхемах имеет смысл использовать только в не очень точных устройствах. Интеграторы на основе операционных усилителей свободны от этого недостатка, у них напряжение переключения может быть практически от нуля до почти напряжения питания и устанавливается с помощью внешних резисторов. Подробнее про такие интеграторы можно прочитать во втором томе книги.

При очень низких входных частотах, как видно из диаграмм (рис. 1.50, з), происходит сдвиг импульсов по фазе: уровень лог. »0» на выходе сдвигается относительно входного сигнала на время TQmin, а уровень лог. »1» — на время T,min. Поэтому интеграторы очень часто используют в качестве цифровой линии задержки сигнала. Для работы в таком режиме подходят только те интеграторы, у которых T„min = T,min. Поэтому для работы в таком цифровом режиме подходят только операционные усилители, т. е. аналоговые микросхемы! Впрочем, это далеко не единственный парадокс в электронике…

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

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