Генераторы импульсов на логических ИМС

Используют для получения импульсов малой длительности (вплоть до наносекундного диапазона). Такие генераторы обладают высокой нагрузочной способностью, обеспечиваемой обычно двухтактным усилителем мощности на выходе ИМС, поэтому даже на емкостной нагрузке формируются импульсы с достаточно короткими фронтами. ИМС ТТЛ-типа имеют относительно большой входной ток логического , что накладывает ограничение сверху на сопротивления времязадающих цепей и определяет диапазон генерируемых частот Гц). Для построения генераторов импульсов используют логические элементы и ИЛИ—НЕ.

Одновибратор на основе ИМС типа (рис. ) содержит одну времязадающую -цепь.

Для ИМС ТТЛ-типа сопротивление резистора R выбирают с учетом ограничения

где — пороговое напряжение; входной ток ИМС при .

Если условие (8.16) выполняется, то на входе действует напряжение

соответствующее уровню логического . Поэтому на выходе в устойчивом состоянии имеем высокий уровень На входе ИМС высокий уровень совпадает с обязательным в исходном состоянии высоким уровнем входного сигнала, и на выходе поддерживается уровень логического . Конденсатор С в устойчивом состоянии одновибратора практически разряжен.

Запускается одновибрагор коротким отрицательным импульсом (либо положительным импульсом при наличии дополнительного инвертора ). По отрицательному фронту входного сигнала в момент времени (рис. ) переключается выход в состояние логической «1». Приращение потенциала через конденсатор С передается на вход ИМС , на выходе которой устанавливается низкий уровень Таким образом, через на второй вход поступает уровень который поддерживает на выходе единичный уровень и по окончании входного импульса. Отсюда вытекает требование к длительности входного сигнала .

В квазиустончивом состоянии одновибратора заряжается конденса гор С через выходную цепь , находящегося в состоянии «1», и резистор R. По мере заряда конденсатора зарядный ток и напряжение экспоненциально уменьшаются с постоянной времени

(8.17)

где — выходное сопротивление ИМС в состоянии «1» на выходе.

В момент времени напряжение и выход переключается из «0» в «1». Положительное приращение потенциала обусловливает переключение и под действием положительной обратной связи одновибратор лавинообразно переключается в состояние, являющееся устойчивым. Таким образом, схема генерирует импульс с учетом выражения (8.17) длительностью

По окончании формирования импульса начинается этап восстановления, связанный с разрядом конденсатора С через выходное сопротивление DD2 и параллельно включенные резистор R и прямосмещенный диод VD.

Длительность восстановления определяется постоянной времени цепи разряда

Диод VD ускоряет восстановление одновибратора и защищает вход ИМС от недопустимо больших отрицательных уровней. Если ИМС DDJ имеет защитные диоды на входах, включать VD не обязательно.

Скол вершины положительного импульса на выходе обусловлен током заряда , амплитудное значение которого зависит от сопротивления R (для ИМС серий 133, Ом).

Аналогично построен и функционирует мультивибратор G автоматическим запуском на основе ИМС (рис 8.19,а), содержащий две времязадающих цепи .

Рис. 8.19.

Собственно мультивибратор построен на ИМС , а элементы предназначены для автоматического запуска генератора. В режиме стационарных колебаний на входах устанавливаются противофазные сигналы, поэтому на выходе поддерживается постоянный высокий уровень , а на выходе — низкий и резистор оказывается практически «заземленным». В случае срыва колебаний на выходах устанавливаются уровни , поэтому на выходе имеем , а на выходе , который через резистор поступает на вход и выводит мультивибратор из равновесного состояния. Таким образом запускается схема. Это позволяет использовать схему для генерирования пачек импульсов управлением режимами генерации по одному из входов ИМС или .

Длительности полупериодов (рис. ) мультивибратора определяются времязадающими цепями соответственно :

а частота генерируемых колебаний .

Для стабилизации режима работы в мультивибраторах можно использовать местную (охватывающую одну ИМС) или общую отрицательную обратную связь через резисторы времязадающих цепей. Необходимая для самовозбуждения генератора положительная обратная связь в таких схемах реализуется через конденсатор.

Схема простейшего мультивибратора данного типа показана на рис. 8.20,а [16]. Отрицательной обратной связью через резистор R охвачен инвертор . Самовозбуждение обеспечивается емкостной связью, охватывающей два инвертора. Релаксационные процессы перезаряда конденсатора С через резистор R, которые включены последовательно между выходами , определяют длительности полупериодов частоту генерации и скважность выходных импульсов Q. На временном интервале (рис. 8.20, б) на входе элемента , поэтому на его выходе поддерживается низкий уровень , а на выходе - высокий уровень перезаряда конденсатора С течет от источника питания по цепи «земля» и экспоненциально уменьшается с постоянной времени

Рис. 8.20.

При этом напряжение на входе также экспоненциально падает от начального значения

где стремясь асимптотически к уровню . В момент, когда напряжение на входе достигает уровня порога , инвертор переходит в усилительный режим, его выходное напряжение, нарастая, включает инвертор и далее под действием положительной обратной связи схема регенеративно переключается в другое квазиустойчивое состояние.

На временном интервале напряжение на входе Упор, поэтому на выходе высокий уровень а на выходе элемента -низкий Ток перезаряда конденсатора С протекает в противоположном направлении от источника питания элемента по цепи «земля» и создает на резисторе R перепад напряжения, достаточный для поддержания на входе элемента напряжения в области логического «0». По мере перезаряда ток через резистор R уменьшается экспоненциально с постоянной времени

Поэтому напряжение на входе экспоненциально нарастает от уровня

где — то же, что в формуле (8.20);

стремясь асимптотически к уровню . В момент совпадения схема вновь переключается и все процессы повторяются. Длительность полупериода с учетом формул (8,19) и (8.20) определяется соотношением

Аналогично можно определить длительность второго полупериода

Для ИМС ТТЛ-типа на сопротивление резистора R накладывается ограничение сверху , поэтому обычно для серий ИМС оно не превышает 510 Ом. При Ом частота генерации приближенно определяется соотношением , Искажение вершин импульсов на выходах ТТЛ-схем обусловлено реактивной составляющей выходных токов перезаряда конденсатора через резистор R. При использовании ИМС КМДП-типа Ом, поэтому вершина выходных импульсов не искажена и выражения (8.23), (8.24) существенно упрощаются

где -пороговое напряжение -канальных транзисторов ИМС; -напряжение запирания -канальных транзисторов.

Достоинства рассмотренного мультивибратора — простота схемы и стабильность частоты генерации: при изменении напряжения питания ИМС ТТЛ-типа частота изменяется только на 2%. Главный недостаток схемы — искажения вершин выходных импульсов. Для его устранения схему дополняют еще одним инвертором (рис. 8.21). При этом резистор R отключают от выхода и подключают к выходу элемента .

Перезаряд конденсатора С в такой схеме происходит через резистор R и выходные цепи . Поскольку элемент не нагружен емкостью, импульсы на его выходе обладают хорошей прямоугольностью.

Принцип работы мультивибратора рис. 8.21,а аналогичен рассмотренному выше (рис. 8.20) Времязадающая RС-цепь определяет экспоненцнальные процессы перезаряда конденсатора с постоянными времени (рис. )

Рис. 8.21.

Для ИМС ТТЛ-типа длительности полупериодов генерируемых колебаний

, где — определяются соотношениями (8.25), (8.26);

В схеме мультивибратора (рис. 8.21) управляющий вход используется для возбуждения (U за ) или торможения генерации. При Ом частота генерации

Оба мультивибратора с местной отрицательной обратной связью обладают слабой чувствительностью к изменениям напряжения питания.