Короткова Електротехника и електроника Основы микроелектроники 2010

E

R

C

A

UА

ЛЭ1

ЛЭ2

U1

&

1

Uвых1

Uвых2

Uзап

U0

Рис. 4.4. Схема ждущего генератора на ЛЭ

(одновибратора)

ООС через резистор R разорвана и на резистор подан высокий

потенциал U 1 E .

Одно из временно-устойчивых состояний

(Uвых1 U 0 , U вых 2

U 1 ) становится устойчивым. Чтобы на выхо-

де генератора появился импульс, необходимо вывести его из устойчивого состояния с помощью внешнего, запускающего сигнала, поступающего на второй вход ЛЭ1 (выполняющего логическую функцию И–НЕ). Уровень логического нуля на управляющем входе

переводит ЛЭ1 в состояние U				вых1	U 1	, ЛЭ2 переключается в со-
стояние U	вых2	U 0	, и отрицательный логический перепад через

конденсатор C попадает на второй вход ЛЭ1. Временные диаграммы работы ждущего одновибратора приведены на рис. 4.5. После установления нового состояния управляющий сигнал можно убрать, так как данное состояние является временно-устойчивым и поддерживается внутренними потенциалами схемы до тех пор, пока конденсатор не зарядится через сопротивление R до уровня, при котором на входе ЛЭ1 (в точке А) потенциал становится

равным пороговому уровню логического элемента (U А Uпор.лог ).

51

Uзап

U1

t

UА	tИ	tвос

U1

Uпор.лог

Uвых1 t

t

Uвых2

t0	t

Рис. 4.5. Временные диаграммы работы одновибратора

Длительность выходного импульса определяется временем нахождения схемы во временно-устойчивом состоянии:

	tИ	RC ln		E		.
			E	U	пор.лог

По окончании выходного импульса все напряжения в схеме генератора должны восстановиться до уровня, соответствующего устойчивому состоянию. В первую очередь это касается напряжения в точке А. Восстановление исходного напряжения также аппроксимируется экспоненциальной функцией с постоянной времени

τRC. Длительность времени восстановления исходного уровня

52

T 2Ntзд.р.ср

зд.р.ср

зд.р.ср

(с точностью до 5 %) равна tвос 3τ . Максимальная частота запус-

ка генератора не должна превышать fзап.макс 1(tИ tвос ) .

Генератор с задержанной обратной связью. Такой генератор отличается от релаксационных генераторов наличием временной задержки в цепи ОС. При этом сигнал ОС будет сдвинут относительно выходного сигнала по времени на интервал времени t . Таким образом, выходной сигнал представляет собой последова-

тельность логических перепадов, сдвинутых на	t . Обязательное
условие работоспособности схемы Kпет U лог	2Uпор.лог , чтобы

сигнал не затухал при циркуляции по петле ОС. Временную задержку в цепи ОС можно организовать различными способами. В лабораторной работе в качестве задержки используются логические элементы на КМДП-транзисторах, которые обладают средним

временем задержки распространения сигнала t . Простейший

генератор с задержанной ОС представляет собой цепочку из нечетного количества ЛЭ, замкнутую в кольцо, (рис. 4.6).

Временные диаграммы работы кольцевого генератора приведены на рис. 4.7. Все элементы ЛЭ – одинаковые, обладают одинаковыми параметрами. Время дано в относительных единицах, приве-

дѐнное к среднему времени распространения сигнала t .

Период выходного сигнала определяется средним временем задержки распространения сигнала в ЛЭ и количеством ЛЭ в кольце:

.

ЛЭ1		ЛЭ2	ЛЭ3
1		1	1
Uвх1	Uвых1	Uвых2	Uвых3

Рис. 4.6. Схема кольцевого генератора на ЛЭ

53

Временной сдвиг напряжений на выходах инверторов кольца позволяет использовать данную схему в качестве генератора многофазных последовательностей импульсов.

Uвых1

U1

Uпор.лог

t/t

Uвых2

U1

Uпор.лог

t/t

Uвых3

U1

Uпор.лог

t/t

1

2

3

4

5

6

зд.р.ср

зд.р.ср

зд.р.ср

Рис. 4.7. Временные диаграммы работы кольцевого генератора

Если один из ЛЭ имеет два входа (выполняет функцию И–НЕ), то второй вход можно использовать как управляющий, или разрешающий. Уровень логической единицы на управляющем входе разрешает генерацию импульсов, а уровень логического нуля на нем – запрещает, таким образом, можно построить генератор “пачки” импульсов.

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

1. Рассчитать длительности импульса и паузы и период следова-

ния	импульсов	релаксационного генератора на	двух ЛЭ при
R	150 кОм , С	510 пФ , и двух значениях Eип	9 и 7 В.
		54

2.Рассчитать длительность импульса и максимальную частоту запуска ждущего релаксационного генератора при параметрах п.1.

3.Нарисовать схемы генераторов “пачек” импульсов на основе релаксационного генератора и генератора с задержанной ОС.

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Собрать схему генератора с задержанной ОС на трех ЛЭ. Зарисовать осциллограммы на выходе кольцевого генератора через дополнительный инвертор. Измерить амплитуду и период выходного сигнала при следующих условиях:

а) количестве ЛЭ N = 3 и разных tзд.р.ср (для изменения tзд.р.ср подключать к выходам всех ЛЭ одновременно конденсаторы с ёмкостями 510 и 1000 пФ);

б) С = 0 пФ , N = 5 ;

в) N = 3 или 5 , E = 7 В.

Объяснить полученные результаты.

2. Зарисовать осциллограммы переходных процессов в генера- торе-релаксаторе на трех ЛЭ при R =150 кОм , С =1000 пФ ,

E = 9 В. Исследовать зависимость периода, длительностей импульса и паузы от значений R и С .

3. Снять зависимости tИ = f (E), tП = f (E),T = f (E) . Найти

минимальное напряжение источника питания, при котором еще возможна работа релаксатора. В заключении к отчёту объяснить ход зависимостей.

4. Снять осциллограммы переходных процессов в ждущем генераторе. Исследовать зависимость параметров релаксатора ( tИ, tвос ) от значений R , С и амплитуды импульса запуска.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чём различие принципов действия релаксационных генераторов и генераторов с задержанной ОС?

2.Как зависит период колебаний релаксационного генератора от выходного сопротивления логических элементов и от входного сопротивления логических элементов?

55

3.Какие требования предъявляются к параметрам запускающего импульса в релаксационном одновибраторе?

4.Чем определяются время выдержки и время восстановления в ждущем генераторе?

5.Сколько ЛЭ надо замкнуть в кольцо, чтобы получить кольцевой генератор? Может ли работать кольцевой генератор на одном ЛЭ?

56

Список литературы

Основной

1.Короткова Н.А. Электротехника, электроника и основы микроэлектроники. Текст лекций: Учебное пособие. М.: МИФИ, 2007.

2.Осипов А.К. Базовые каскады электронных схем: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2009.

3.Осипов А.К. Цифровые интегральные схемы по курсу «Микроэлектронные схемы»: Текст лекций. М.: МИФИ, 1989.

4.Лабораторный практикум по курсу «Электронные схемы»: Учебное пособие/ Под ред. Т.М. Агаханяна. М.: МИФИ, 1988.

Дополнительный

1.Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1983.

2.Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000.

3.Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. М.: Мир, 1982.

4.Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 2-х т. М.:

Мир, 1984.

5.Джонс М.Х. Электроника – практический курс. Постмаркет,

1999.

6.Агаханян Т.М., Никитаев В.Г. Электронные устройства в ме-

дицинских приборах: Учебное пособие. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005.

57

Приложение

Оформление лабораторных работ

Лабораторная работа оформляется на отдельных листах, или в тетради на одной стороне листа (оборотная сторона листа используется для комментариев и объяснений при защите лабораторной работы).

Оформленный для защиты работы отчѐт содержит: а) название лабораторной работы;

б) схему исследуемого устройства со списком номиналов элементов схемы (если исследуется работа микросхемы, то приводится схема включения микросхемы);

в) результаты измерений в соответствии с пунктами рабочего задания;

г) заключение.

При исследовании (измерении) какого-либо параметра схемы в отчѐте должно быть приведено определение этого параметра, зарисована схема измерения параметра, записаны номиналы элементов схемы, при которых производятся измерения, приведены формулы, по которым рассчитывается экспериментальное и теоретическое значения данного параметра. В заключении к отчѐту (или непосредственно по ходу работы) проводится сравнение экспериментальных и теоретических значений параметра и дается краткое теоретическое объяснение совпадения или несовпадения значений.

Графики зависимостей и рисунки осциллограмм выполняются карандашом, причем на графиках обязательно указываются названия осей и масштаб, а на осциллограммах – чувствительность канала осциллографа, на которой снималась осциллограмма. В заключении объясняется ход графика зависимости, вид осциллограммы, приводятся значения параметров, полученных по осциллограммам.

Примечание. В заключении к отчѐту нужно ответить на следующие вопросы:

1) какая схема изучалась (название, электрическая принципиальная схема, или если схема была нарисована раньше, то ссылка на номер рисунка в отчѐте);

58

2)какой параметр оценивали (определение параметра, схема измерения, или ссылка на номер рисунка в отчѐте, результаты измерения, формулы для расчѐта параметра по экспериментальным измерениям и теоретическая оценка величины параметра, если возможен расчѐт);

3)как экспериментальное значение соотносится с теоретическим (написать возможные причины несоответствия, если оно есть.

Перечислить источники погрешности по степени влияния на результаты измерения.);

4)почему снятая зависимость носит именно такой характер

(растѐт, уменьшается, не зависит) и дать краткое объяснение с физической точки зрения теории?

59

Наталия Александровна Короткова Алексей Константинович Осипов

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА: ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Лабораторный практикум

Редактор М.В. Макарова

Подписано в печать 12.08.2010. Формат 60х84 1/16. Уч.-изд. л. 3,75 . Печ. л. 3,75 . Тираж 172 экз.

Изд. № 088-1 Заказ № 263

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Типография НИЯУ МИФИ. 115409, Москва, Каширское ш., 31