6.2. Формувачі

Формувачі  це цифрові елементи, призначені для формування з електричних сигналів довільної форми і тривалості прямокутних імпульсів з заданою тривалістю, амплітудою і швидкістю наростання фронтів.

Схеми формувачів будують на основі логічних елементів. В цих схемах поряд з ЛЕ можуть використовуватися також RC-ланцюги.

Принцип дії формувачів заснований на негативному для цифрових схем явищі гонок, яке полягає в тому, що логічні сигнали від одного і того ж джерела приходять на різні входи логічного елемента з різними затримками. Наслідком цього є виникнення помилкових сигналів на виході логічного елемента, які можуть привести до збою в роботі цифрової схеми. Такі помилкові сигнали і є вихідними сигналами формувачів. Тому в схемах формувачів спеціально, за допомогою ланцюгів логічних елементів або інтегрувальних і диференціювальних RC- ланцюгів створюють затримки, які забезпечують формування вихідних сигналів з відповідними параметрами.

Рис. 6.6. Формувач на логічних

елементах: а  схема;

б  часові діаграми

Існують численні схемні реалізації формувачів імпульсних сигналів, як низького U⁰ так і високого U¹ рівнів напруги. Розглянемо деякі з них.

Типова схема формувача прямокутного імпульсу низького рівня напруги U⁰ з заданою тривалістю t_{і вих} показана на рис. 6.6а. Імпульс формується по фронту вхідного сигналу, тривалість якого t_{і вх} може бути будь-якою в інтервалі t_{і вх} > t_{і вих}. Часові діаграми, що пояснюють принцип роботи формувача наведені на рис. 6.6б. Відзначимо, що вони побудовані без урахування затримки сигналу вихідним елементом 2ІНЕ схеми, оскільки ця затримка не впливає на тривалість імпульсу t_{і вих}.

Як видно з часових діаграм (рис. 6.6б), завдяки затримці у непарній кількості n послідовно увімкнених інверторів, сигнал у точці А схеми, інверсний до вхідного сигналу, зсунутий відносно нього на інтервал часу nt_зп. Це створює умову для формування по передньому фронту вхідного імпульсу рівня напруги U¹ вихідного імпульсу рівня напруги U⁰, тривалість якого визначається за формулою:

t_{і вих} = nt_зп, (6.21)

де t_зп – час затримки поширення сигналу логічного елемента 2ІНЕ (при виводі формули (6.21) зроблено припущення, що всі логічні елементи мають однакові значення t_зп).

Змінюючи кількість n логічних елементів 2ІНЕ, які увімкнені як інвертори, можна змінювати тривалість прямокутного імпульсу низького рівня U⁰ на виході формувача. Тривалість цього імпульсу не буде залежати від тривалості вхідного імпульсу t_{і вх}, тобто схема на рис. 6.6а буде працювати як формувач, доки виконується умова t_{і вх} > nt_зп.

Рис. 6.7. Формувач  множник частоти:

а  схема; б  часові діаграми

Якщо в схемі на рис. 6.6а логічний елемент 2ІНЕ, з якого знімається вихідний імпульс, замінити на логічний елемент еквівалентності (див. підрозділ 4.1), то отримаємо формувач імпульсних сигналів, який володіє властивістю множення частоти. Схема такого формувача і часові діаграми сигналів, що пояснюють принцип його дії, наведені на рис. 6.7.

З часових діаграм (рис. 6.7б) видно, що частота сигналу на виході формувача подвоюється, тобто f_вих = 2f_вх. Це пов’язано з тим, що функція еквівалентності приймає одиничне значення, коли значення її аргументів збігаються, Тому в інтервалах часу, де має місце збіг рівнів напруги (інтервали затримки на nt_зп сигналу в точці А відносно вхідного сигналу), формуються імпульси високого рівня напруги U¹, період яких у двічі менший за період вхідного сигналу T_вх = 2T_вих,. Тривалість вихідних імпульсів, як і для формувача розглянутого раніше (рис. 6.6а), визначається затримкою поширення сигналу t_зп одного логічного елемента і кількістю таких ЛЕ n, увімкнутих послідовно, тобто t_{і вих} = nt_зп. Якщо вхідний сигнал є сигналом типу меандр, у якого період у двічі більший за тривалість прямокутного імпульсу високого рівня U¹, то на виході схеми (рис. 6.7а) також можна одержати сигнал подвійної частоти типу меандр, якщо задовольнити умову t_{і вх} = 2nt_зп. Саме такому випадку відповідають часові діаграми, наведені на рис. 6.7б.

Таким чином, формувач, схема якого наведена на рис. 6.7а, є множником частоти з коефіцієнтом множення 2. На базі таких формувачів можна побудувати схеми з більшим коефіцієнтом множення. Множення тактової частоти широко використовують в сучасних комп’ютерах для підвищення опорної частоти тактового генератора (звичайно вона близько  100  200 МГц) до тактової частоти процесора, яка може складати декілька гігагерців.

Рис. 6.8. Формувач прямокутного

імпульсу низького рівня по фронту

сигналу на логічних елементах і

інтегрувальному RC-ланцюзі:

а – схема; б – часові діаграми

Розглянуті вище схеми призначені для формування прямокутних імпульсів невеликої тривалості, яка не більше ніж у десять разів перевищує час затримки поширення сигналу t_зп у логічних елементах, на яких будується схема формувача. Для формування імпульсів, тривалість яких значно перевищує t_зп, такі схеми не придатні, оскільки для забезпечення затримки потребують використання великої кількості логічних елементів. В цьому випадку в схемах формувачів затримку створюють шляхом використання інтегрувальних або диференціювальних RC-ланцюгів.

На рис. 6.8а наведена схема формувача імпульсу низького рівня U⁰ по фронту вхідного сигналу, яка використовує інтегрувальний RC-лан-цюг. Часові діаграми, що пояснюють принцип дії такого формувача, показані на рис. 6.8б.

При відсутності імпульсу на вході схеми U_вх = U⁰ в точці В на виході DD1 рівень напруги логічної одиниці U¹, до якого заряджений конденсатор С. Вхідна напруга U⁰, що надходить безпосередньо на вхід елемента DD2, створює на виході схеми формувача високий рівень напруги U_вих = U¹. Це є початковим станом схеми.

При надходженні на її вхід в момент часу t₀ імпульсу високого рівня напруги U¹ (рис. 6.8б), на виході елемента DD1 (точка В) з затримкою на t_зп з’являється сигнал низького рівня U⁰ (момент часу t₁). Починається розряд конденсатора C по колу: резистор R, відкритий вихідний транзистор елемента DD1, загальна шина. Зміна напруги у часі в точці А схеми описується формулою (6.8). Доки напруга в цій точці перевищує U_пор, елемент DD2 сприймає її як рівень логічної одиниці, тому на всіх його входах логічні одиниці, а на виході  сигнал низького рівня U_вих = U⁰. В момент часу t₂, коли напруга в точці А досягає значення U_пор, відбувається перемикання елемента DD2 у стан високого вихідного рівня напруги U¹. Формування вихідного імпульсу завершується.

Як видно з часових діаграм (рис. 6.8б) тривалість вихідного імпульсу низького рівня U⁰ дорівнює t_{і вих} = t_зп + t. Інтервал t можна знайти з (6.8) при t =t₂, U_вих(t₂) = U_пор:

, (6.22)

де  - стала часу. Якщо знехтувати малою величиною опору відкритого вихідного транзистора логічного елемента DD1 порівняно з опором резистора R, то стала часу  = RC.

Визначивши з (6.22) інтервал часу t, можна одержати вираз для тривалості вихідного імпульсу формувача:

. (6.23)

Для логічних елементів ТТЛШ існують обмеження на величину опору активного резистора, який підключається до їх входів (див. підрозділ 4.3.3), тому величину опору R в формувачах на елементах ТТЛШ звичайно обирають у інтервалі 300 Ом ≤ R ≤ 2 кОм. Високий вхідний опір МОН-транзисторів суттєво не обмежує верхню межу опору RC-ланцюга для формувачів, що використовують логічні елементи КМОНТЛ, проте завдяки меншим, порівняно з біполярними ключами, вихідним струмам КМОН-ключів, нижня межа значення опору R для таких формувачів більша. Звичайно в формувачах імпульсних сигналів, які використовують елементи КМОНТЛ, величину опору R обирають в інтервалі 10 кОм ≤ R ≤ 10 МОм.

Вихідний прямокутний імпульс заданої тривалості може бути сформований також по зрізу вхідного сигналу. Схема такого формувача і часові діаграми, що пояснюють принцип його дії, наведені на рис. 6.9. Тривалість вихідного імпульсу в цьому випадку визначається за формулою:

. (6.24)

Рис. 6.9. Формувач прямокутного імпульсу низького рівня по зрізу вхідного сигналу на логічних елементах і інтегрувальному RC- ланцюзі: а – схема; б – часові діаграми

Зазначимо, що в (6.24) стала часу  дорівнює добутку RC, тільки коли внутрішній опір джерела вхідного сигналу R_вх значно менший за опір R інтегрувального RC-ланцюга. Якщо це не так, то величину опору при розрахунку  визначають як суму R_вх і R, тобто  = С(R_вх + R).

У випадку, коли формувачі, схеми яких наведені на рис. 6.8а і 6.9а, реалізовані на логічних елементах КМОНТЛ, які мають значення U⁰  0 В і U_пор = U¹/2, формули (6.23) і (6.24) приймають спрощений вигляд, а саме: t_{і вих} = RCln2 + t_зп  0,7RC + t_зп; t_{і вих} = RCln2  t_зп  0,7RC  t_зп.

Якщо стала часу RC-ланцюга  значно перевищує час затримки поширення сигналу в логічних елементах, можна знехтувати значенням t_зп в співвідношеннях (6.23), (6.24). У цьому випадку для формувачів, що побудовані на логічних елементах КМОНТЛ, тривалість вихідного імпульсу розраховують за формулою: t_{і вих}  0,7RC.