Импульсные устройства на микросхемах (944139), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Пороговое напряжение микросхем КМОП зависит от напряжения питания и равно в среднем Оное/н0,5Он (изготовители гарантируют О,ЗО < (!/пор(0,7Оп). Таким образом, в устройствах с ВС-цепью изменения пи. тающего напряжения мало влияют на длительность импульсов: с изменением напряжения, заряжающего конденсатор, в той же мере изменится и лоро. говое напряжение.
Из других достоинств микросхем КМОП следует отметить: малое потребление мощности (в статическом режиме практически нулевое), малое выходное сопротивление, хорошую температурную стабильность, довольно высокое быстродействие (в среднем до 3 МГц), большую амплитуду выходных сигналов (практически равную напряжению питания). На рис. 2.21, а изображена схема простого инвертора структуры КМОП. Он образован двумя встречно включенными транзисторами с индуцированным каналом (ЧТ1 — с р-каналом, ЧТ2 — с п-каналом). Оба затвора объединены и образуют вход. Стоки также объединены, и общая их точка служит выходом Транзистор ЧТ! открывается при отрицательном напряжении на его затворе относительно истока, а ЧТ2 прн положительном Когда на входе инвертора действует напряжение низкого уровня, транзистор ЧТ! открыт (так как напряжение между затвором и истоком равно Уам„, У с агхл/у у'В к де/ярд /~ гУ Ум В а) Рис.
2,2!. Инвертор структуры КМОП: а — прннннпнельнея схема; б — передаточная хяряктернстнке питающему), а ЧТ2 закрыт, в на выходе присутствует напряжение высокого уровня. При высоком входном напряжении — наоборот. Поскольку в любом логическом состоянии один из транзисторов открыт, другой заирыт, а вход.
ное сопротивление последующих иаскадов очень велико, ток, потребляемый ннвертором от источника яитавия, ничтожен и определяется только токами утечки. Передаточные характеристики этого простого инвертора при трех значе. ниих напряжения питания показаны на рис. 2.21, б. Затвор транзистора МОП и подложка, разделенные слоем диэлектрика, образуют конденсатор. Емкость этого конденсатора невелика — менее 5 пФ, а сопротивление утечки огромно, что создает благоприятные условия для накапливания статических зарядов. Слой диэлектрика под затвором очень тонок, я поэтому его электрическая прочность не превышает 150...200 В.
Потенциал статического заряда из-за электризации на теле человека и иа оборудовании может достигать нескольких киловольт. Такой заряд, даже обладающий малой энергией, попав на затвор, способен вызвать пробой слоя диэлектрика. Для предохравения транзисторов от повреждения высоким напряжением каждый вход современных микросхем КМОП снабжен защитной цепью (рис.
2.22,а). Эти цепи изготавливают вместе с другими элементами в едином технологическом процессе. Защитная цепь состоит из резисгора К! сопротивлением 0,5...1,5 кОм и диодов ЧО1 — ЧОЗ. В нормальных условиях работы микросхемы, когда амплитуда входного напряжения не выходит за пределы — 0,7В(()ах<(Пи+0,7 В), диоды ЧО1 — НОЗ закрыты. Защитная цепь на входе распространенной микросхемы К56!ЛН2 (шесть независимых ииверторов) упрощена (рис.
2.22, б), и при питании напряжением Пи=5 В на вход можно подавать повышенное напряжение ло !5 В. Из отечественнык минросхем КМОП наиболее распространены приборы серий К176, К561 и 564. Первая из них, к настоящему времени морально устаревшая, применяется главным образом в бытовой аппаратуре. Микросхемы К176 серии имеет напряжение питания По=9 В~!ба)е.
По быстродействию они уступают приборам двух других упомянутых серий, зато в составе К176 серии есть микросхемы, аналогов которым нет в других. Одна из таких микросхем К!76ЛП! представляет собой сборку из двух комплементарных пар транзисторов МОП и инвертора, связанных общим питанием (рис. 2.23). Она обладает универсальными возможностями и в зависимости и, а) Рис. 2.22. Схема защитной депп на входе микросхем КМОП: а — общий случай; б — элементах микросхем Каэ!ЛНЗ и Кьа!ПУ4 29 Таблица 2.1 Значение параметра при Пп, В ю тз Пороговое напрнженне, В: ()иае.а !)пее.а Напряжение гистерезиса, В 2,9 2,2 0,7 5,2 4,2 1,0 7,3 6,0 1,3 Кг лввгггвв Рис.
2.25. Схема триггера Шмитта на инверторах КМОП Рис. 2.24. Логическая структура одного (из четырех) триггера Шмитта с инвертором микросхемы К561ТЛ1 О т тт от соединения внешних выводов меж- ду собой может исполнять различные '!та функции. Некоторые варианты приме- нения этой микросхемы описаны в тг книге. Для микросхем серий К561 и 564 допустимое напряжение питания составляет 3...15 В. Различаются эти серии только конструкцией корпуса в в г р в м в Изделия со сходными наименования- ми (напрнмер, К561ТМ2 и 564ТМ2) по Рис. 2.23. Принципиальная схе- функциональным свойствам, электрима интегральной микросхемы К176ЛП1 (входные защитные це- ческим и вРеменнйм п РамегРэм, таили не показаны) же по назначению внешних выводов совпадают. В аппаратуре шярокого применения используют изделия серии К561.
Кроме упомянутой минросхемы К56! ЛН2 в импульсных устройствах часто используются К561ЛА7 — четыре логических элемента 2И-НЕ; К561ЛЕ5 — четыре логических элемента 2ИЛИ-НЕ; К561ЛП2 — четыре логнчесних элемента Исключающее ИЛИ; К56! ТР2 — четыре независимых !!5-триггера в общем корпусе, каждый триггер имеет толька один — прямой выход; К561ТМ2 — два П-триггера с запуском по фронту тактирующего импульса; К56! ТВ! — два )Т-триггера, управляемых по фронту тактового импульса. Микросхема К56!ТЛ! представляет собой четыре логических элемента 2И-НЕ с триггером Шмитта на каждом входе (рис. 2.24). Среднее пороговое напряжение зависит от напряжения питания (см.
табл. 2.!): Рис. 2.26. Схема триггера Шмнтта с регулируемой областью гистерезиса (2.4) Если немного усложнить схему (рис 2.26), каждый из порогов переключения можно устанавливать независимо от другого. Пороговые значения входного напряжения в этом случае опредсляют по формулам [36): (К !+ КЗ) (0,5().— и.в) Овх в= КЗ +У»в, (2 6) К1(0,5У,— (),в) 13,х в = 0,51)»в (2.7) К2 где Упэ — постоянное прямое напряжение на диоде.
Если пренебречь этим напряжением (0,7 В для кремниевых диодов и 0,3 В для германневых), формулы упростятся: К1+КЗ 2КЗ К2 — К1 ()вх.в= 1-!п. 2К2 Обычно принимают К! от 10 до 50 кОм; К2 и КЗ от 0,1 до 1,0 МОм. (2.8) (2.9) 31 Числа, указанные в табл. 2.1, МР! А7 относятся к средним значениям параметров. Поскольку, как уже отмечалось, для микросхем КМОП допустим разброс порогового напря- Р жения в пределах (0,3...0,7)()п, для реааьных изделий этн данные могут отличаться довольно существенно. На практике находят также применение триггеры Шмитта, собранные из логических элементов КМОП.
Они особенно удобны в тех случаях, когда пороги переключения н ширина областя гистерезиса триггеров К561ТЛ! не удовлетворяют разработчика. На рис. 2.25 показана схема одного из вариантов триггера. Его можно собрать и из элементов ИЛИ вЂ” НЕ (К561ЛЕ5). Напряжение на входе элемента ОО!.1 слагается из входного и части выходного. Поэтому напряжение Оп»э, при котором происходит переключение, возникает при двух значениях входного напряжения ()вх.в и ()»х. в зависимости от уровня выходного напряжения.
Изменением соотношения сопротивления резисторов К! и К2 можно управлять порогом срабатывания, а также шириной петли гистерезиса. Значения напряжения на входе устройства, при которых происходит переключение, можно найти по следующим упрощенным формулам: К1+К2 Увх в= Уп; (2 3) 2К2 К2 — К! ()вх в Уп. 2К2 Ширина гистерезиса равна~ К! 13»пв = ()и. (2.5) 2.7.
Операционные усилители и номпараторы напряжения им — ) Йюг Г ! б717 ч" 1 йу к2 ()в ох= — ()вх. (2.10! К! Знак минус указывает на то, что выходной сигнал инаертирован относительно входного. Коэффициент усиления при таком включении К,= — ()..ху().х=-п27И. (2.)Ц а) Рис. 2.27. Операционный усилитель: о — уолоомое графическое обозначение; б — способ пиганна 32 Операционный усилитель (ОУ) представляет собой дифференциальный усилитель с очень большим усилением, параметрами которого (коэффициентом усиления, частотной характеристикой и др.) можно управлять посредством введения внешних цепей обратной связи. Операционные усилители являются универсальнымн приборами, их широко применяют в в импульсных устройствах для усяления, преобразования и генерации импульсов На рис.
2.27, а показано условное графическое обозначение ОУ. Он имеет два входа — инвертирующий (помечен кружком) и неинвертируюший. Сигнал, поступивший иа инвертируюший вход, оказывается на выходе усиленным и инвертированным. Сигналы с неинвертируюшего входа усиливаются без инверсии, т. е. в той же фазе. Выходную ступень проектируют так, чтобы обеспечить малое выходное сопротивление, необходимое значение максимального выходного тока, нечувствитечьность к замыканиям в цепи нагрузни. Для питания ОУ применяют источник с выводом от средней точки либо два разнополярных источника (рис.
2.27, б). Это дает возможность получить выходное напряжение ()хмх — — О, когда входной сигнал отсутствует. При проектировании различных устройств исходят из допущения, что ОУ обладает идеальными характеристиками: а) бесконечно большим сопротивлением обоих входов, б) нулевым выходнылг сопротивлением, в) бесконечно большим коэффициентом усиления.
Реальные приборы в большей или меньшей мере удовлетворяют этим условиям. Отечественная промышленность в настоящее время производит десятки типов ОУ в интегральном исполнении, различающихся напряжением питания и потребляемой мощностью, быстродействием, входным сопротивлением, нагрузочной способностью, числом независимых усилителей в корпусе и т. п. Каждый такой прибор имеет сложное внутреннее устройство и содержит несколько десятков транзисторов биполярных или полевых, а ивогда и тех, и других.
На рис. 2.28,а дана типовая схема включения ОУ с петлей отрицатель. ной обратной связи через резистор к2. Входной сигнал может быть подан, как показано на схеме, на инвертирующий вход либо на неинвертируюший (рис. 2.28, б). В последнем случае обратная снязь также заиодится на инвертирующий вход. Для усилителя, включенного по схеме, показанной на рис.
2.28,п, выходное напряжение связано с входным следующей зависимостью.„ а) Ф) ф Рис. 2.28. Схеыы включения операционных усилителей: о — с инверсией входного сигнала; б — без инверсии входного сигнала; в — с инверсией входного сигнала н хамиенсацией смешения нуля Для неинвертируюшего усилителя (рис. 2.28, б) ()вмх= (1+02/Р!)()вх, (2.12) в коэффициент усиления Ку = 1+ й2/й1. (2.13) Эти выражения показывают, что усиление ОУ определяется только отношением сопротивлений резисторов )12 н Р1, входящих в петлю отрицательной обратной связи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
