Московский энергетический институт

(технический университет)

Кафедра: Полупроводниковой электроники

Курсовой проект

“Генератор прямоугольных импульсов”

по курсу:

“Электронные цепи и микросхемотехника”

Группа: ЭР-05-08

Студент: Зинченко М.Ю.

Проверил: Каретников И.А.

Москва 2010.

Оглавление

Задание на курсовой проект 3

Блок-схема генератора. 4

Транзисторно-транзисторный логический элемент (ТТЛ) 5

Мультивибратор автоколебаний 8

Дифференцирующая цепь. 12

Ждущий мультивибратор 13

Усилитель мощности 15

Стабилизатор напряжения 5В 18

Стабилизатор напряжения 20В 20

Спецификация 23

Список литературы 24

Задание на курсовой проект

Спроектировать генератор прямоугольных импульсов, обеспечивающий в нагрузке (Rн, Сн) амплитуду рабочих импульсов, регулируемую в пределах от 0  U вых m. Длительность импульсов должна регулироваться и находится в пределах Tи min  Tи max. Период следования импульсов регулируется и находится в пределах Tmin  Tmax. Обеспечить длительность переднего и заднего фронтов импульса не более t_ф . Форма напряжения рабочего импульса и его амплитуда могут быть согласованы с консультантом .

Генератор выполняется с использованием стандартных логических элементов (ЛЭ) ТТЛ ,либо КМОП однотипных для всего генератора ,либо таймеров (формирователей) на основе ТТЛ и ЛЭ ТТЛ (Т-ТТЛ) или таймеров на основе КМОП и ЛЭ КМОП (Т-КМОП) .

Рассчитать стабилизатор напряжения, обеспечить напряжение питания генератора импульсов, используя интегральный стабилизатор напряжения. Нестабильность выходного напряжения стабилизатора не хуже %Eпит при нестабильности напряжения сети  20%.

Данные к курсовому проекту.

Tиmax=3* Tиmin=150мкс

tф=0.2* Tиmin=10мкс

Tmin=7* Tиmax=1050мкс=1.05 мс

Tmax=2* Tmin=2100мкс=2.1мс

Форма импульса:

Блок-схема генератора.

Рис.1 Блок-схема генератора

ЗГ – задающий генератор (мультивибратор),

ДЦ – дифференцирующая цепь,

ЖМВ– ждущий мультивибратор,

УМ– усилитель мощности,

Rн, Cн – нагрузка генератора.

Рис. 2. Предполагаемые осциллограммы генератора в характерных точках

Задающий генератор (мультивибратор автоколебаний) формирует на выходе (точка 1) импульсы прямоугольной формы. Эти импульсы подаются на дифференцирующую цепь (ДЦ). Ее назначение: создать на своих выходах (точка 2) короткие импульсы, которыми затем будет запускаться ждущий мультивибратор (ЖМВ). ЖМВ формирует на своём выходе основной импульс, длительность которого меняется от Tи min до Tи max (точка 3), т.к. Л.Э. не в состоянии обеспечить в нагрузке необходимую мощность, то к выходам ЖМВ подключен усилитель мощности (УМ). Они усиливают амплитуду выходного сигнала до нужной величины.

Транзисторно-транзисторный логический элемент (ТТЛ)

Принципиальная схема ТТЛ –элемента является основой ряда полупроводниковых интегральных микросхем среднего и высокого быстродействия для цифровых устройств.

В данном генераторе будет использован ТТЛ- элемент со сложным инвертором типа И-НЕ.

Рис. 3. Схема ТТЛ-элемента.

В схеме (рис. 3) два основных каскада: входной – на многоэмиттерном транзисторе VT_м(осуществляет функцию И), сложный инвертор – на транзисторах VT1, VT2 и VT3(осуществляет функцию НЕ). Благодаря сложному инвертору повышается нагрузочная способность и быстродействие логического элемента.

При подаче на вход сложного инвертора высокого уровня напряжение отпирается и насыщается транзистор VT1, отпирается транзистор VT2, а транзистор VT3 запирается. Его запирание обеспечивает диод VD. При этом на выходе логического элемента будет низкий уровень напряжения (логический 0).

Когда на вход инвертора подан низкий уровень напряжения транзисторы VT1 и VT2 закрываются, а транзистор VT3 открывается и на выходе логического элемента будет высокий уровень напряжения (логическая 1).

В обоих состояниях сложный инвертор обладает малым выходным сопротивлением и обеспечивает высокие нагрузочные способности и быстродействие элемента.

Условное изображение элемента:

Рассмотрим характеристики элемента:

1. Передаточная характеристика: 2) Входная характеристика

1. В ыходная характеристика

П
о выходной характеристики найдём выходное сопротивление ЛЭ.

В генераторе используется микросхема серии K155ЛА3 [3].

Рис.4. Микросхема К155ЛА3

Основные характеристики:

Мультивибратор автоколебаний

Мультивибратор является релаксационным автогенератором, обычно имеющим два квазиравновесных состояния. Он может быть использован в качестве задающего генератора в различных импульсных устройствах. Основным требованием к таким генераторам является высокая стабильность частоты автоколебания.

Мультивибратор наиболее часто строят на основе двух или трех инверторов для чего у логических элементов (ЛЭ) И‑НЕ или ИЛИ‑НЕ все входы объединяют. Входы, оставшиеся свободными, могут быть использованы для управления автогенератором (для включения или выключения его).

Рис.5. Схема мультивибратора автоколебаний

Мультивибратор собран на трех логических элементах И-НЕ (D1, D2 и D3) с одним времязадающим конденсатором (Рис. 5а). Время T1(см. рис 6) определяется временем заряда конденсатора С в соответствии со схемой (Рис. 5б), а время T2 будет определяться временем заряда конденсатора С в соответствии со схемой (Рис. 5в). Время T1 и Т2 можно менять изменяя резистор R(для плавного изменения) или С(для скачкообразного изменения). Таким образом, можно менять период следования импульсов от Tmin до Tmax.

Рис.6. Осциллограммы мультивибратора автоколебаний в характерных точках

Рассмотрим характерные моменты работы MB. Пусть в исходном состоянии потенциал на входе ЛЭ D1 (рис. 5б) имеет низкое значение U_ВХ⁰= - 0,7 В. В этом случае на выходе инвертора D1 формируется высокий потенциал U_ВЫХ1=U¹, на выходе инвертора D2 - низкий потенциал U_ВЫХ2=U⁰, на выходе ЛЭ DЗ - высокий потенциал U¹.

Емкость C начинает перезаряжаться током I, протекающим через резистор R и выходы элементов D1 и D2 в соответствии со схемой (рис.5 б). Нахождение MB в данном квазиравновесном состоянии определяется временем T₁, необходимым для достижения напряжения U* на входе ЛЭ D1 в соответствии с переходным процессом (рис. 6).

,

где .

При достижении U_ВХ1=U* в схеме возникает положительная обратная связь, приводящая к скачку - "опрокидыванию" MB. Процесс опрокидывания очень короткий, и его длительность учитывать не будем. Положительный скачок напряжения U_ВЫХ2 с выхода ЛЭ D2 через емкость C будет передан на вход ЛЭ D1, и создаст потенциал U_ВХ1¹=E_ПИТ+U_Д. В результате на выходе D1 формируется уровень низкого потенциала, на выходе D2 - высокого, на выходе DЗ - низкий потенциал. Конденсатор C теперь будет перезаряжаться в соответствии со схемой (рис. 5в). Этим процессом будет определяться длительность второй квазиравновесной стадии периода колебаний -T₂

.

После этого в схеме вновь наступит скачок и переход в первое квазиравновесное состояние. Таким образом, полный период колебаний MB составляет T=T₁+T₂.

T = RC( + )

Возьмем R=1 кОм и T=Tmin=1050 мкс, тогда C= мкФ

Возьмем C=0.5634 мкФ и T=Tmax=2100 мкс, тогда R= 2 кОм

Итак:

R1=1 кОм, R2=510 Oм, R3=15 кОм, С1=5 мкФ, С2=7.5 мкФ.

Дифференцирующая цепь.

Рис.8. Схема дифференцирующей цепи и осциллограммы характерных точек.

К точке 2(см. рис. 8) подключается вход ЖМВ. Для того чтобы одновибратор стабильно генерировал на выходе импульсы необходимо, чтобы запускающий импульс был не больше половины генерируемого импульса. ЖМВ переключится, когда на его входе напряжение будет U^*. Поэтому при T = Tиmin / 2, U₂ должно быть равно U^*(см. рис. 8).

Ограничения на R₄: