Макроэлементы импульсных генераторов

Лекция 24

Неотъемлемым макроэлементом импульсных генераторов является пороговое устройство, которое формирует на своем выходе перепад напряжения всякий раз, когда входное напряжение достигает определенного уровня – порога срабатывания. Пороговое устройство характеризуется двумя состояниями выхода: высоким уровнем выходного напряжения (лог. “1”) и низким уровнем выходного напряжения (лог. “0”).

Простейшим пороговым устройством является электронный ключ или инвертор (рис. 6.5). У инвертора при напряжение на выходе слабо зависит от величины входного напряжения, а при напряжение также проявляет слабую зависимость от . Недостатком такого порогового устройства, кроме отмеченной зависимости и , является широкая зона нечувствительности (от до ), где состояние выхода неопределенное.

Значительно более высокой точностью срабатывания, т.е. меньшей зоной нечувствительности и большей стабильностью порога срабатывания, обладает пороговое устройство на основе операционного усилителя (рис. 6.6), поскольку ОУ имеет не только несравнимо более высокий коэффициент усиления, но и низкие значения напряжения и токов смещения. К тому же, порог срабатывания в схеме с ОУ можно устанавливать произвольно путем подачи на другой вход ОУ опорного напряжения (при подаче на неинвертирующий вход ОУ передаточная характеристика смещается вправо). Напряжения и близки к напряжениям питания и , поскольку выходной каскад работает в режиме насыщения. Но при работе в таком режиме быстродействие порогового устройства оказывается невысоким, что потребовало в свое время разработки специальных макроэлементов – компараторов напряжений, отличающихся от операционных усилителей в основном схемотехникой выходного каскада.

В отличие от операционного усилителя, который является аналоговым (линейным) макроэлементом, компаратор имеет аналоговый вход и дискретный (логический) выход, что позволяет устранить режим насыщения выходного каскада сравнительно простыми мерами, в частности за счет ограничения сигнала в предварительном каскаде либо использования в выходном каскаде эмиттерно-связанной логики или транзисторов Шотки. Поскольку уровни выходного напряжения и компаратора должны быть согласованы со стандартными уровнями логических элементов, питание компараторов чаще всего несимметричное или даже однополярное. Компараторы, кроме того, имеют дополнительный (стробирующий) вход, при подаче на который напряжения, соответствующего лог. “0”, компаратор переводится, вне зависимости от величины входного сигнала, в состояние “0” (). Для некоторых типов компараторов это может быть состояние “1” () или состояние, которое было на выходе компаратора в момент подачи управляющего (стробирующего) сигнала. В остальном схемотехника, а также система параметров у компараторов такая же, как у операционных усилителей, аналогична и их классификация. Компараторы напряжений (КН) подразделяются на быстродействующие, прецизионные, общего применения и микромощные. Примерами компараторов как промышленных изделий могут служить микросхемы серий 521, 554, 597, 1401 (пример обозначения – 1401СА8).

Если пороговое устройство, выполненное на основе компаратора или операционного усилителя, работает в зоне неопределенности (в районе порога срабатывания), то случайные небольшие изменения входного напряжения (под действием наводок или шумов) могут вызвать неоднократные изменения состояния выхода (“дребезг” выхода). Чтобы исключить это нежелательное явление, передаточную характеристику порогового устройства делают с петлей гистерезиса (рис. 6.7,в и г), для чего компаратор (или ОУ) охватывается положительной обратной связью, как показано на рис. 6.7,а и б. Как и при отсутствии положительной ОС, переключение компаратора в схемах рис. 6.7,а и б происходит в момент, когда пересекает уровень , т.е. когда , но за счет ПОС уровень (в схеме рис. 6.7,а) или (в схеме рис. 6.7,б) оказывается зависимым от выходного напряжения компаратора, что и определяет такой вид передаточной характеристики (здесь принято ).

Если в схеме рис. 6.7,а , а , то на выходе компаратора действует высокое напряжение , которое через цепь ОС поступает на неинвертирующий вход КН, подтверждая высокое состояние его выхода. Поскольку на неинвертирующем входе КН действует высокое напряжение

,

переключение компаратора в низкое состояние произойдет только тогда, когда входное напряжение превысит этот уровень опорного напряжения, т.е. когда . Но после переключения компаратора в состояние “0” уменьшится напряжение –

,

в связи с чем станет заметно больше , что подтвердит низкое состояние выхода КН. При дальнейшем увеличении выходное напряжение компаратора не изменяется. Чтобы теперь перевести КН в состояние “1”, потребуется уменьшить ниже уровня (), в результате чего возрастет до , что закрепит высокое состояние выхода КН (). Ширина петли гистерезиса определяется разностью напряжений и , т.е.

,

и задается отношением сопротивлений .

В схеме рис. 6.7,б при и на выходе компаратора действует низкое напряжение , которое через цепь ОС поступает на неинвертирующий вход КН, подтверждая низкое состояние его выхода. Чтобы при низком выходном напряжении напряжение достигло уровня , необходимо на вход подать высокое напряжение :

.

При таком входном напряжении и произойдет переключение компаратора в состояние “1”, в результате чего увеличится и станет существенно больше , что подтвердит состояние “1” компаратора. Чтобы теперь уменьшить до уровня , потребуется уменьшить до значения . В этом случае

,

и компаратор переключится в состояние “0”, а напряжение уменьшится и станет существенно меньше , что закрепит состояние “0” компаратора. Ширина петли гистерезиса

,

как и в схеме рис. 6.7,а, задается отношением сопротивлений .

Компараторы широко применяются при построении различных аналого-дискретных и аналого-цифровых устройств. Более специализированным макроэлементом для использования в импульсных генераторах является таймер, который, как и компаратор, имеет аналоговые (линейные) входы и логический выход. Функциональная схема таймера приведена на рис. 6.8, где КН1 и КН2 – компараторы напряжений; T – S-триггер; 1 – выходной инвертор; – транзистор блокировки; – разрядный ключ. Если транзистор закрыт (например, за счет подачи на его базу напряжения ), то работа таймера разрешена, в противном случае на выходе таймера будет действовать низкое напряжение вне зависимости от состояния его входов. Разрядный ключ на транзисторе управляется напряжением с инвертирующего выхода S-триггера: если оно высокое (), то транзистор полностью открыт; если же низкое (), то закрыт. Опорные напряжения, подаваемые на соответствующие входы компараторов, вырабатываются резистивным делителем из напряжения источника питания:

.

Обычно , поэтому , а . Опорными напряжениями можно управлять, для чего используется вывод Уп. Пример обозначения промышленных микросхем таймеров: 1006ВИ1, 512ВИ10.

Таблица 6.1 Таблица 6.2

			Таблица 6.3

Диаграмма состояний таймера (рис. 6.9) строится на основе таблицы состояний S-триггера (табл. 6.1) и таблиц 6.2 и 6.3. Как видно из диаграммы, если , то относительно напряжения таймер ведет себя подобно инвертирующему компаратору с пороговым напряжением . Если же объединить входы таймера (), то он будет эквивалентен компаратору, охваченному положительной обратной связью.