1.2.4.4 Контрольные вопросы к разделу 1.2.4

1. Назовите основные параметры ОУ

2 Какую роль при использовании ОУ играют его паразитные параметры

3. Поясните принцип работы схем рис. 1.11, 1.12 и назначение ее элементов

4. Какими параметрами схем определяется частота генерируемых колебаний?

5.Чем определяется нестабильность частоты генерируемых колебаний?

6. Чем определяется максимальная частота генерируемых колебаний в схемах рис.1.11, 1.12?

7. Какими способами можно управлять частотой генерируемых колебаний в схемах рис.1.11, 1.12?

8. Сопоставьте свойства схем рис. 1.11, 1.12

1.2.5 Мультивибраторы на логических элементах (6, 10, 13)

Необходимость обеспечения оптимального сопряжения параметров импульсных сигналов с требованиями к цифровым устройствам во многих случаях достигается применением в качестве активной элементной базы при создании импульсных генераторов логических цифровых схем типа инверторов или повторителей.

Рис. 1.15 Рис.1.16

Решающими факторами здесь являются совместимость логических уровней используемых микросхем, их времени переключения, заметно меньшего по сравнению с ключами на дискретных транзисторах.

Схемотехнические решения мультивибраторов на логических элементах достаточно разнообразны, некоторые по своему построению близки к транзисторным, другие учитывают специфические особенности микросхем.

Основу активной базы мультивибраторов составляют инверторы, охваченные комбинациями отрицательной и положительной обратной связи. Отрицательная обратная связь вводится с целью вывода инвертора по постоянному току на линейный участок передаточной характеристики, положительная обратная связь обеспечивает условия регенеративного процесса. Это наглядно иллюстрируется ниже приведенными примерами.

Простая схема мультивибратора, собранная на двух инверторах, приведена на рис. 1.15. Инвертор D1 охвачен отрицательной обратной связью с помощью резистора R₂, величина которого для схем ТТЛ лежит в пределах нескольких сотен Ом, а для серии КМОП- десятки и сотни кОм. Положительная обратная связь осуществляется через конденсатор С₁ и, следовательно, носит более “быстрый” характер, чем отрицательная. Резистор R₁ играет вспомогательную роль, ограничивая бросок тока на входе инвертора D₁ (напомним, что на входе микросхемы обычно присутствует диод, защищающий ее от отрицательных выбросов напряжения).

Обратимся теперь к диаграммам рис. 1.16 и оценим параметры выходного напряжения. Пусть до момента t₁ выходное напряжение инвертора D₂ принимает минимальное значение (логический ноль), а инвертора D₁- максимальное (логическая единица). Напряжение U₁ на этом интервале времени изменяется, достигая в момент t₁ порога срабатывания U_П0. Оба инвертора быстро переключаются, а состояния их выходов меняются на противоположные. Положительный перепад напряжения на выходе D₂ передается на вход микросхемы D₁ и поддерживает новое состояние до тех пор, пока в результате заряда конденсатора С₁ уровень напряжения U₁ не снизится до порога срабатывания единичного уровня U_П1 в момент t₃. Инверторы вновь примут свое исходное состояние и далее процесс примет автоколебательный периодический характер.

Рассмотрим электрические процессы в схеме, в которой применены элементы КМОП, и проведем приближенный расчет длительностей t_и1, t_и2, предположив, что выходные сопротивления инверторов достаточно малы, уровень логического нуля близок к нулю, а уровень логической единицы обозначим через U¹.

В интервале времени t₁…t₂ напряжение u₁ на входе инвертора D₁ изменяется по закону:

(1.43)

достигая в момент t₂ порога срабатывания U_П1 единичного уровня. Приравнивая правую часть (1.43) значению U_П1 найдем:

(1.44)

После изменения значения U_ВЫХ от “единицы“ к “нулю” конденсатор С₁ сначала быстро разряжается через резистор R₂ до близкого к нулю уровня (вспомним, что вход инвертора шунтирован диодом), а затем перезаряжается под действием единичного уровня U¹ с выхода микросхемы D₁, что после несложных выкладок позволяет получить выражение для t_и2 :

(1.45)

Сумма длительностей определит период колебаний и обратную ему величину- частоту следования импульсов:

f=1/T (1.46)

где =С₁(R₁+R₂)

Для частного случая R₁<<R₂ и U_ПОU_П1 U₁/2 получим из (1.46) приближенное значение для периода T, на которое обычно ссылаются авторы справочной и учебной литературы:

(1.47)

Нетрудно сделать вывод, что мультивабратору подобной простой структуры свойственна невысокая стабильность частоты выходных импульсов. Последняя может быть достигнута применением в цепях обратной связи высоко добротных резонансных структур, как показано на рис. 1.17.

Рис. 1.17

Здесь вместо конденсатора в цепь положительной обратной связи включен кварцевый резонатор. При коммутации инверторов резонатор возбуждается на строго определенной частоте, которая и определяет частоту выходных импульсов, значение которой находится в пределах 1…10 МГц.

Простые логические элементы, а также устройства на их основе эффективно применяются при построении схем ждущих мультивибраторов, ряд которых приведен на рисунках 1.18…

На рисунках 1.18а, 1.18б приведены схема одновибратора и поясняющие ее работу диаграммы напряжений в обозначенных точках.

а) б)

Рис. 1.18

Активную базу схемы составляют двухвходовые инверторы D₁, D₂ (за основу выбрана серия микросхем типа КМОП). До прихода входного сигнала (единичного уровня) выходные напряжения инверторов D₁, D₂ соответствуют значениям логической единицы и логического нуля. Левая и правая обкладки конденсатора С₁ имеют близкие высокие потенциалы, то есть напряжение на нем близко к нулю. Приход запускающего импульса U_ВХ переводит D₁ в нулевое состояние, а возникший на входе инвертора D₂ обратный скачок напряжения вызывает переход этого элемента в состояние логической единицы. Новое состояние схемы будет продолжаться до тех пор, пока в результате заряда конденсатора С₁ через резистор R₁ напряжение на входе D₂ не достигнет порога срабатывания U_П0 и выполнения условий самовозбуждения схемы. Итогом этого процесса станет возврат схемы в свое начальное состояние.