Читайте также:
|
Формирователи импульсных сигналов и генераторы на логических элементах
Ранее нами были рассмотрены генераторы и формирователи импульсных сигналов на биполярных и полевых транзисторах.
Применение логических элементов позволяет [42] сформировать подобные устройства с лучшими характеристиками и меньшими материальными затратами.
Особенности переключения реальных логических элементов
Ранее были рассмотрены релейные (пороговые) усилители, состояние которых или их выходной сигнал резко изменяются при достижении входным напряжением определенного значения (порога). Они применяются в цепях сигнализации, устройствах преобразования синусоидального или пилообразного напряжения в прямоугольное и т.п.
Схемы пороговых усилителей могут выполняться на основе транзисторов, тиристоров, операционных усилителей и т. п.
Основным элементом последовательностных устройств является триггерный элемент (ячейка) памяти, или просто, триггер. На основе триггера создаются устройства, в которых задается последовательность работы устройств управления – последовательностные логические устройства.
Триггер - это устройство типа компаратора, обладающего гистерезисом, с двумя устойчивыми состояниями. При отсутствии внешних воздействий триггер находит в одном из устойчивых состояний. Входной сигнал может перевести триггер из одного устойчивого состояния в другое. Триггеры могут выполнять функции реле, переключателей, элементов памяти; на их основе строятся счетчики, распределители и другие устройства.
Триггеры относятся к релейным (пороговым) усилителям, состояние которых или их выходной сигнал резко изменяются при достижении входным напряжением определенного значения (порога).
Одним из наиболее известных релейных усилителей является триггер Шмитта, который может выполнять различные логические функции.
Триггер Шмитта (ТШ) на основе транзисторов состоит из двухкаскадного усилителя, охваченного положительной обратной связью. Выходной сигнал логического элемента ТШ имеет крутые импульсные перепады, длительность которых не зависит от скорости нарастания или спада входного сигнала.
Передаточной характеристикой логического элемента называется зависимость выходного напряжения U вых от входного U вх.
На рис. 1 показаны схема триггера Шмитта на дискретных транзисторах и передаточная характеристика данного логического элемента, реализующего логическую функцию ″Повторение″.
а) б)
Рис. 1. Схема триггера Шмитта (а) и передаточная характеристика ЛЭ ″Повторение″(б)
Принцип его работы состоит в следующем. При отсутствии входного сигнала n-p-n- транзистор VT 1 закрыт, а VT 2 открыт. Рассмотрим причину этого состояния. От источника питания + Е к через два последовательно соединенных резистора R к1 и R б2 в базу VT 2 поступает ток, поскольку за счет делителя напряжения на основе R к1, R б2, R см2 на p -базе VT 2 – положительный потенциал. Следовательно, через эмиттер и коллектор VT 2 протекает большой ток, так что (за счет падения напряжения на R к2) на выходе триггера минимальное напряжение U вых = Umin (рис. 1, а), равное сумме падений напряжения на резисторе R э и остаточного напряжения на транзисторе VT 2. Потенциал в точке э2 (а также идентично в точке Э1) относительно земли положителен и равен jэ1 = jэ2 =D URэ = + I э2 R э. Для дальнейшего анализа примем это значение, равным D UR э = 0,3 В.
Если входное напряжение равно нулю, то на базе VT 1 в точке Б1 потенциал jб1 равен нулю. Следовательно, р -база VT 1 более отрицательна, чем его эмиттер и поэтому VT 1 закрыт (обычно R к1 > R к2).
При появлении и увеличении входного напряжения U вх схема остается в исходном состоянии до то момента, пока входное напряжение U вх не достигнет величины U сраб, равной U сраб = D UR э + (0,3…0,4) В. Данное значение U срабсвязано с тем, что для ²уверенного² открытия эмиттерного перехода VT 1 (перевода из режима отсечки в активный режим и затем режим насыщения) величина потенциала в точке Б1 должна быть на 0,3-0,4 В выше потенциала точки Э1 (см. реальные входные характеристики схемы ОЭ). Другими словами, транзистор VT1 откроется, когда на его базе будет напряжение более чем U сраб = 0,3+0,4= 0,7 В.
При этом напряжении U вх = U сраб появляется ²значительный² базовый и, следовательно, коллекторный, токи транзистора VT 1, поэтому уменьшаются базовый и коллекторный (и эмиттерный) токи транзистора VT 2. Уменьшение тока эмиттера транзистора VT 2 приводит к уменьшению падения напряжения на резисторе R э, т.е. D U падает, несмотря на увеличение тока эмиттера транзистора VT 1, так как R к1 > R к2. С уменьшением D U значение напряжения на базе U бэ1, равное разности (U вх – D U), увеличивается, что приводит к еще большему увеличению тока коллектора VT 1. Процесс развивается лавинообразно и по его окончании транзистор VT 1 оказывается открытым, а VT 2 – закрытым. Выходное напряжение на VT 2 становится равным U вых = Umax» Е к. Теперь через резистор R э протекает ток эмиттера транзистора VT 1, создавая на нем напряжение D U 1 < D U, которое поступает через резистор R см2 на базу транзистора VT 2 и удерживает его в закрытом состоянии.
Допустим, что мы уменьшаем входное напряжение от значения U вх > U сраб до нулевого значения. Если происходит уменьшение входного напряжения, то переход триггера в исходное состояние (отпускание) произойдет при напряжении U отп = D U 1 < U сраб. Это связано с тем, что при закрытом VT 2 потенциал точки Э2 равен нулю: jэ1 = jэ2, поэтому для закрытия транзистора VT 1 необходимо чтобы потенциал точки Б1 был не выше (0,3…0,4) В. Другими словами, триггер переключится при напряжении отпускания U отп менее 0,3 В.
Учитывая форму передаточной характеристики, говорят, что она носит гистерезисный характер, а разность напряжений U гист = U сраб – U отп называют шириной петли гистерезиса.
Порогом срабатывания U сраб называется минимальное напряжение на входе элемента, при котором исходный логический уровень на выходе изменяется на противоположный (рис. 1, б).
Порогом отпускания U отп называется максимальное напряжение на входе элемента, при котором ранее установленный логический уровень на выходе изменяется на противоположный.
С учетом формы передаточной характеристики, очевидно, что схема, рассмотренная выше, реализует логическую функцию ″Повторение″.
В связи с вышесказанным, можно сказать, что логический элемент на основе триггера Шмитта имеет пороги срабатывания и отпускания, между которыми существует зона гистерезиса D U г = U сраб − U отп = 400 мВ. Эта зона симметрична относительно порогового напряжения обычного логического элемента (без гистерезиса), т.е. U пор = (U сраб + U отп)/2 = 0,5 В.
В связи с этим говорится, что передаточная характеристика подобного ЛЭ имеет входной порог U пор = 0,5 В при двух порогах срабатывания.
1.2. Описание реальной ИМС К155ТЛ1
Рассмотрим свойства ИМС типа К155ТЛ1 - логического элемента на основе триггера Шмитта 2х4И-НЕ (рис. 2).
Рис. 2. Структура (а), передаточная (б), временная (в) характеристики ИМС К155ТЛ1
В микросхеме К155ТЛ1 содержится два логических четырех входовых элемента 2х4И-НЕ (рис. 2, а). Если для приема сигналов используется лишь один из четырех входов этого элемента, то входное напряжение U вх подается на этот вход. Остальные три входа следует подключить к положительному полюсу источника питания – подать лог. 1.
Передаточная характеристика триггера Шмитта, реализующего логическую функцию ″НЕ″, приведена на рисунке 2, б.
Например, если мы подаем на вход элемента ″НЕ″ напряжение U вх меньше, чем U сраб, то схема воспринимает входной сигнал как уровень лог. 0, и на выходе останется исходный уровень лог. 1. Только при напряжении U вх > U сраб на выходе появится лог. 0.
Например, мы первоначально установили на выходе элемента ″НЕ″ лог. 0; для этого необходимо подать высокое напряжение на вход ЛЭ. По мере уменьшения входного напряжения U вх изменение лог. 0 на лог. 1 на выходе произойдет при входном напряжении отпускания U вх = U отп, причем, U сраб > U отп.
Если входное напряжение ЛЭ U вх = 0 (точка А), то выходное напряжение U вых = U лог1 = 3,4 В – напряжение высокого уровня. При повышении U вх до 1,7 В выходной сигнал скачком уменьшается: переходит от точки Б к В. Выходное напряжение становится равным U вых = U лог0 = 0,3 В – напряжение низкого уровня. В связи с этим говорится, что напряжение срабатывания равно U сраб = 1,7 В.
Дальнейшее увеличение входного напряжения не приводит к изменению U вых.
Если входное напряжение постепенно уменьшать (от точки Г), то при U вх = 0,9 В выходное напряжение скачком перейдет от низкого уровня к высокому (линия Д - Е). Это напряжение порога отпускания U отп. При дальнейшем снижении напряжения U вх до нуля мы возвращаемся в точку А характеристики.
В связи с вышесказанным, можно сказать, что логический элемент на основе триггера Шмитта имеет пороги срабатывания и отпускания, между которыми существует зона гистерезиса D U г = U сраб − U отп = 800 мВ. Эта зона симметрична относительно порогового напряжения обычного логического элемента (без гистерезиса), т.е. U пор = 1,3 В (±400 мВ).
В связи с этим говорится, что передаточная характеристика подобного ЛЭ имеет входной порог U пор = (U сраб + U отп)/2 = (1,7 + 0,9)/2 = 1,3 В при двух порогах срабатывания.
Заметим, что наличие петли гистерезиса предотвращает срабатывание триггера при наличии напряжения помехи U пом, накладываемого на входное напряжение (рис. 2, б). Так, если бы гистерезис отсутствовал, то вблизи напряжения U сраб любая помеха приводила бы к ложному срабатыванию схемы.
Временная характеристика ИМС приведена на рис. 2, в. Для данной микросхемы время задержки t зд1,0 = 27 мкс, а t зд0,1 = 22 мкс.
В качестве нагрузки подобной ИМС обычно применяется конденсатор С н = 10 пФ или резистор R н = 400 Ом.
При входном напряжении низкого уровня ток потребления равен 24 мА, при напряжении высокого уровня – 40 мА.
Дата добавления: 2015-07-19; просмотров: 423 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Импульсные преобразователи. | | | Формирователь прямоугольных импульсов на логических элементах |