Длительность положительного фронта можно оценить по формуле

,

Рис.5.3. Осциллограммы напряжений в мультивибраторе на ЛЭ КМОП в схеме рис 5.1, а (а); в схеме рис. 5.1, б (б)

где I_с0 – выходной ток ЛЭ-ключа при разряде эквивалентной емкости (см.”Приложение”).

Форма отрицательного фронта импульса более сложная. При уменьшении напряжения U_вых от U ¹ до (U *–U_D) также происходит разряд С_экв через ЛЭ- ключ, и скорость изменения напряжения здесь такая же, как и в предыдущем случае. Однако при напряжениях U_вых ниже (U *–U_D) длительность процесса существенно возрастает. Это связано с особенностью построения входной цепи ЛЭ. Здесь установлены ограничительные диоды, предохраняющие входную цепь от значительных отрицательных напряжений. В процессе формирования второй части отрицательного фронта данные диоды открываются. Это приводит к перезарядке выходным током ЛЭ-ключа времязадающих конденсаторов C₁ и С₂. Поскольку
C₁,C₂>>C_экв, то соответственно увеличивается и время формирования отрицательного фронта, полная длительность которого составляет

.

На входах ЛЭ этому процессу соответствуют короткие отрицательные выбросы напряжения (см. рис.5.3).

Схемы обеспечения автоматического запуска МВ показаны на рис.5.1 как отдельные блоки (обведены пунктиром). При вклю-чении напряжения питания, например, в схеме MB (см. рис.5.1, а) возможно возникновение ситуации, когда на входах обоих ЛЭ D1 и D2 могут одновременно оказаться низкие потенциалы. Наиболее вероятно это ожидается в симметричном мультивибраторе. В этом случае колебания в схеме не возникнут. Для обеспечения автоматического запуска МВ используется дополнительная схема, которая для схемы (рис.5.1, а) должна выполнять логическую функцию . Она содержит элемент совпадения И‑НЕ (D3) и инвертор (D4).Ее работа: в отсутствии колебаний MB на входах ЛЭ D1 и D2 одновременно будут существовать низкие потенциалы. Это приведет к одновременному появлению высоких потенциалов на выходах D1 и D2 и соответственно на входах ЛЭ D3, что вызовет появление высокого потенциала на выходе ЛЭ D4 и соответственно на входе ЛЭ D2. При этом возникает несимметричный режим работы (U_{вх D1}=0, U_{вх D2}=1), и в MB возникнут колебания.

При возникновении автоколебаний в MB попеременно на одном из входов схемы совпадений D3 будет присутствовать низкий потенциал, что ведет к постоянному низкому потенциалу на выходе D4. В результате резистор R₂ будет "заземлен" через малое выходное сопротивление ЛЭ D4 (на схеме МВ условно показано пунктиром). Схема автоматического запуска практически не влияет на частоту генерируемых колебаний и используется в данных схемах МВ как обязательная составная часть.

Работа мультивибратора, построенного по варианту рис.5.1, б в идейном плане не отличается от работы автогенератора, рассмотренного выше. Читателю предлагается самому, пользуясь приведенными осциллограммами (рис.5.3, б), разобраться в его работе. Необходимо помнить, что времязадающие резисторы в данной схеме присоединены к потенциалу U ¹. Соответственно несколько изменилась и схема автоматического запуска.

ЛЭ на основе КМОП одинаково хорошо работают как в схеме первого, так и второго вариантов. В качестве источника U ¹ используется шина + E_пит .

По принципу работы и построению схема MB на ТТЛ-
-элементах не отличается от MB на КМОП. Однако необходимо учитывать особенности их характеристик (см. "Приложение"). Эти особенности необходимо принимать во внимание при обеспечении квазиустойчивых состояний MB, а также при оценке длительности квазиравновесных стадий. В частности, для обеспечения U_вх = U ⁰ в схеме, построенной по первому варианту (рис.5.1, а) накладываются ограничения на максимальную величину резисторов R₁ и R₂, так чтобы I⁰_вх×(R₁||R₂)<1,0 В, а существенное изменение входного тока

Рис. 5.4. Осциллограммы переходных процессов в мультивибраторах на ЛЭ ТТЛ: для МВ по схеме рис.5.1, а (а) и для МВ по схеме рис.5.1, б (б)

при U_вх =U * может привести к усложнению переходного процесса (рис.5.4, а) при повышенной величине резисторов (R₁, R₂ ³ 1 кОм) и к возникновению повышенной нестабильности длительности гене-рируемых полупериодов колебаний (подробнее см. лаб. раб. № 4).

Более высокая стабильность час-тоты генерируемых колебаний дости-гается в схеме на ЛЭ ТТЛ, постро-енной по варианту рис.5.1, б. Осцил-лограммы генерируемых колебаний для такой схемы представлены на рис.5.4, б. Для обеспечения напряже-нияU ¹=3,6 В используется параллель-ный стабилизатор на основе стабили-трона КС136 либо "свободный" ЛЭ ТТЛ (рис.5.5).

Задание

1. Исследовать работу симметричного MB. Тип ЛЭ задается преподавателем. Проанализировать осциллограммы в характерных точках схемы. Оценить период колебаний, сравнить с расчетным.

2. Исследовать несимметричную схему МВ. Снять зависимость периодов колебаний T₁ и T₂ от величины резисторов R₁, R₂.

3. В одном из режимов оценить длительность положительных и отрицательных фронтов импульсов на выходах MB.

Библиографический список

1. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. – М.: Радио и связь, 1981. – С. 136 – 140, 147 – 149.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высш. шк., 1991. – С. 585 – 597.

3. Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. – М.: Радио и связь, 1991. – С. 80 – 123.

4. Каретников И.А., Соловьев А.К., Чарыков Н.А. Транзисторные ключи: Лабораторные работы № 1 – 5. – М.: Изда-тельство МЭИ, 2004.

ПРИЛОЖЕНИЕ

В целях обеспечения лучшего понимания студентами работы мультивибраторов и триггеров на логических элементах, а также для обеспечения грамотных расчетов в приложении приведены электрические схемы и основные характеристики для наиболее популярных ЛЭ: ТТЛ (К155ЛА3) и КМОП (К561ЛА7 -ЛЕ5, -ЛН1).

ЛЭ К155ЛА3 выполняет логическую функцию И-НЕ и имеет уси-литель мощности. Его электрическая схема приведена на рис. П.1.

Рис.П.1. Электрическая схема (а), обозначение ЛЭ (б), таблица состояний (в) для ЛЭ К155ЛА3

Многоэмиттерный транзистор VT1 обеспечивает логическую функцию "И", транзистор VT2 – функцию "НЕ", транзисторы VT3, VT4 – усилитель мощности. Основные характеристики (входная, передаточная и выходные) приведены на рис. П.2, а, б, в соответ-ственно.

Необходимо обратить внимание, что напряжение питания ЛЭ E_пит =5 В, напряжение U ¹_вых @ 3,6 ¸ 2,4 В (в зависимости от тока нагрузки), напряжение U ⁰_вых @ 0,2 ¸ 0,4 В, а напряжение переключения U ^* = 2U_БЭ @ 1,4 В.

Рис.П.2. Входная (а), передаточная (б) и выходные (в) характеристики ЛЭ К155ЛА3

Входная характеристика при напряжениях меньше U ^* имеет значительный вытекающий ток (до 1 мА), а при напряжениях больше U ^* – входной ток @ 0. На входах ЛЭ установлены охранные диоды VD1 и VD2 (рис. П.1), пре-дохраняющие вход от появления значительных отрицательных напряжений.

Электрические схемы, обозначения схем как логических элементов и таблицы состояний для КМОП-элементов приведены в табл. П.1. Для ЛЭ на основе КМОП характерно весьма высокое входное сопротивление: I_вх = I_ут @ 0,1мкА (T=20⁰C) ¸ 1 мкА
(T=85⁰C), что определяется токами утечки охранных диодов. Напряжение переключения ЛЭ, как правило, составляет U ^*= E_пит / 2.

Максимально развиваемые выходные токи I ⁰_вых, I ¹_вых и соответственно напряжения U ⁰_вых, U ¹_вых определяются моментом выхода на пологие участки выходных ВАХ и зависят от величины напряжения E_пит (конкретные величины приведены на рис. П.3, б).

Таблица П.1
Тип ЛЭ	Электрическая схема	Обозначение ЛЭ	Таблица состояний
ЛЭ - ИЛИ-НЕ
ЛЭ И-НЕ
ЛЭ-НЕ

Рис. П.3. Передаточная (а) и выходные характеристики (б) для ЛЭ К561ЛЕ5

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа № 1.

ИЗУЧЕНИЕ ТРИГГЕРОВ............................. 3

Лабораторная работа № 2.

ТРИГГЕР ШМИДТА ................................. 12

Лабораторная работа № 3.

ЖДУЩИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР.................................17

Лабораторная работа № 4.

МУЛЬТИВИБРАТОР С ОДНИМ ВРЕМЯЗАДАЮЩИМ КОНДЕНСАТОРОМ..................................23

Лабораторная работа № 5.

МУЛЬТИВИБРАТОР С ДВУМЯ ВРЕМЯЗАДАЮЩИМИ
ЦЕПЯМИ ......................................... 30

ПРИЛОЖЕНИЕ .....................................36

Учебное издание

Каретников Игорь Александрович

ТРИГГЕРЫ И МУЛЬТИВИБРАТОРЫ
НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ

Лабораторные работы № 1—5

Методическое пособие
по курсу
«Электронные цепи и микросхемотехника»
для студентов, обучающихся по направлению
« Микроэлектроника и твердотельная электроника »

Редактор Н. А. Чарыков

Редактор издательства Г.Ф. Раджабова

Темплан издания МЭИ 2005 (II), метод.

Подписано в печать Печать офсетная

Формат бумаги 60 84/16

Физ. печ. л.2,5

Тираж 150 Изд. № 72 Заказ

Издательство МЭИ, 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14