2.3. Генератори імпульсів.

У сучасних цифрових та мікропроцесорних пристроях генератори імпульсних (цифрових) сигналів (ГІС) займають визначальне місце. Це задаючі генератори тактової частоти, стробуючі або строб-генератори (з періодичною установкою початкової фази), синхронізуючі генератори, генератори серії з n-прямокутних імпульсів, генератори поодиноких імпульсів (очікувальний генератор або одновібратор) тощо. ГІС на цифрових мікросхемах (ЛЕ, тригерах, регістрах тощо) так само, як і на операційних підсилювачах, будують з різними типами часозадаючих кіл.

Основні режими роботи релаксаційних ГІС:

автоколивний – при якому ГІС має два квазістійких стани і жодного стійкого, а параметри генерованих імпульсів визначаються виключно параметрами схеми генератора;

очікувальний – при якому ГІС має тільки один стан стійкої рівноваги і один стан квазістійкої рівноваги, внаслідок чого виробляє один імпульс під дією зовнішнього запускаючого імпульсу; тривалість сформованого імпульсу визначається тривалістю протікання релаксаційного процесу, а частота проходження – частотою повторення запускаючих імпульсів;

синхронізації – при якому частота повторення генерованих імпульсів дорівнює або кратна частоті зовнішніх синхронізуючих імпульсів (синхроімпульсів), а при відсутності останніх ГІС працює в автоколивальному режимі.

З теорії коливань відомо, що генерування коливань можливе лише при дотриманні певних необхідних та достатніх умов. Щодо побудови ГІС на ЛЕ такими умовами є забезпечення достатнього коефіцієнта передачі (підсилення) ЛЕ і наявність додатного зворотного зв’язку на частоті генерації. Оскільки активним елементом у схемі ГІС може бути інвертор, то для забезпечення першої умови (достатнього підсилення) на його вхід необхідно прикласти таку напругу зміщення, щоб вивести робочу точку в область найбільшої крутизни передавальної характеристики. Це можна виконати з допомогою подільника напруги або за рахунок від’ємного зворотного зв’язку так, як це показано на рис.2.6,а,б відповідно.

При розрахунку подільника і резистора зворотного зв’язку слід враховувати протікання вхідних струмів та вхідний опір ЛЕ.

а) б)

Рис. 2.6. Схема зміщення робочої точки для забезпечення підсилювальних властивостей ЛЕ.

Розглянемо приклади релаксаційних ГІС на ЛЕ.

Одновібратор, або очікувальний, генератор, переходить із стійкого стану рівноваги у квазістійкий (тобто у другий тимчасовий стійкий стан) тільки після подачі на його вхід запускаючого короткочасного імпульсу. Тривалість сформованого на виході сигналу залежить від величини сталої часу часозадаючого кола, тобто добутку і не залежить від тривалості запускаючого імпульсу.

На рис.2.7,а показано схему одновібратора та його часові діаграми напруг.

а) б)

Рис. 2.7. Схема одновібратора та його часові діаграми напруг.

Схема має два ЛЕ – 2I-НЕ та інвертор НЕ. Останній забезпечує додатний зворотний зв’язок і служить як буферний підсилювач щодо навантаження. У початковому стані і тому на вході інвертора напруга низького рівня. При цьому конденсатор не заряджений. Як тільки , виникає додатний перепад напруги на виході ЛЕ, який у міру заряду конденсатора приводить до зменшення за експоненціальним законом. При досягненні рівня порогової напруги інвертора на виході .Це викличе на виході 2I-НЕ низький (нульовий) рівень напруги, який швидко розрядить конденсатор через відкритий діод і вихідний транзистор ЛЕ 21-НЕ. Отже, одновібратор повернеться у свій початковий (стійкий) стан. Тривалість сформованого імпульсу визначається величиною як при обмеженому виборі номіналу для випадку ТТЛ – межах 100...500Ом.

Мультивібратор – це автоколивальний генератор прямокутних імпульсів заданої тривалості, частоти, амплітуди та полярності. Принцип побудови мультивібратора на ЛЕ полягає в тому, що тими ЛЕ є два інвертори, які ввімкнені у коло перехресного додатного зворотного зв’язку (вихід першого з’єднаний із входом другого, в вихід другого – із входом першого). Ці інвертори утворюють схему, шо здатна самозбуджуватись, тобто регенерувати. За рахунок ввімкнення часозадаючих ланок в кола прямого та зворотного зв’язку поряд з регенеративними процесами у схемі відбуваються також і релаксаційні процеси. За таких умов на виході мультивібратора виникають релаксаційні коливання певної амплітуди та частоти.

На рис.2.8,а зображена схема мультивібратора на двох інверторах. Регенеративний процес у схемі виникає внаслідок неперервного перезаряду конденсатора через резистор . Якщо, наприклад, , то за рахунок зворотного зв’язку і конденсатор буде заряджатись (або перезаряджатись) через резистор до напруги високого рівня.

а) б)

Рис. 2.8. Схема мультивібратора та спосіб регулюваня щілинності імпульсів.

Як тільки напруга на вході верхнього інвертора досягне порогового рівня спрацювання (для ЛЕ ТТЛ В), стан цього інвертора зміниться на протилежний (), що зразу приведе до стану на виході нижнього інвертора. Тепер до верхньої обкладки конденсатора через резистор буде прикладено низький, а до нижньої – високий рівень напруги. Отже, конденсатор почне перезарядитися і при досягненні порогової напруги верхній інвертор знову змінить свій стан. Таким чином, релаксаційний процес протягом одного періода коливання регенераторно змінює свій напрям два рази.

Оптимальний режим роботи мультивібратора забезпечується при виборі для ТТЛ в межах 200...470Ом. При цьому період генерованих імпульсів визначається як . Щоб поліпшити форму вихідних імпульсів мультивібратора, до його виходів (або входів) під’єднують інвертори. Якщо вибрати Ом, пФ, то частота генерації на виході даного мультивібратора буде МГц.

У тих випадках, коли потрібно окремо регулювати тривалість імпульсу і паузи, тобто регулювати коефіцієнт заповнення або щілинність генерованих імпульсів, замість резистора можна застосувати регульований двополюсник, який зображено на рис.2.8,б. За його допомогою утворюються імпульси типу “меандр” при середньому положенні повзунка потенціометра, а при зміні його положення можна задати потрібний коефіцієнт для фіксованого періоду вихідних імпульсів.

ГІС можна побудувати за різними схемами, які зображені на рис.2.9,а-г.

а) б)

в)

г)

Рис. 2.9. Схеми генераторів імпульсів.

Схема нерелаксаційного ГІС (рис.2.9,а), побудована за кільцевою схемою, зворотний зв’язок у якій охоплює непарне число інверторів. У такій схемі виникають коливання з частотою, яка визначається сумарною затримкою поширення сигналу в інверторах, а саме: [Гц], де – непарне число ЛЕ, причому . Якщо шунтувати ЛЕ резисторами чи конденсаторами і частоту генерації нерелаксаційного ГІС можна незначно зменшити.

Інші схеми ГІС (рис.2.9,в-г) містять у собі часозадаючі RС-кола і саме тому відносяться до релаксаційних. У схемі на рис.2.9,б активний режим роботи ЛЕ забезпечений від’ємним зворотним зв’язком через резистор , а додатний зворотний зв’язок – ємністю конденсатора . У інших схемах ГІС (рис.2.9,в,г) елементами обох зв’язків є часозадаючі кола, причому активний режим роботи ЛЕ реалізується за рахунок спільного для всіх ЛЕ від’ємного зворотного зв’язку через резистор . У випадку застосування ЛЕ та КМОН-структурах резистор (у тому числі й для схеми на рис.2.9,в) служить для обмеження струму захисних діодів вхідного кола ЛЕ і вибирається у межах 5...5∙10³кOм. Підбором резистора можна також регулювати щілинність вихідних імпульсів у невеликих межах. Для схеми на рис.2.9,г переважно вибирають . У схемах на рис.2.9,б-г частота генерації [Гц].

На практиці часто виникає потреба керувати роботою мультивібратора, тобто запускати або зупиняти його у потрібні моменти часу. Якщо фаза генерованих імпульсів для даного конкретного випадку не грає принципової ролі, то таку задачу легко реалізувати заміною, наприклад, в схемі мультивібратора одного з інверторів на схему збігу. Тоді один із входів цього ЛЕ буде виконувати функцію керуючого, а рівень напруги на ньому визначатиме стан очікування (при ) або роботи (при ) мультивібратора. Такий мультивібратор називається очікувальним, або стробованим. Крім основного призначення – генерування поодиноких імпульсів– стробуючий мультивібратор використовують також для генерування пачок імпульсів.

Для багатьох схем радіоелектроніки потрібні стробовані ГІС, які формують ціле число імпульсів. На рис.2.10 показана схема стробованого ГІС, яка побудована на базі попередньої схеми (див. рис.2.9,г). На відміну від вже розглянутих даний ГІС формує ціле число періодів, причому останній період завершується повністю, що виключає наявність вищих гармонік. З метою уникнення неповного формування останнього періоду вихідний сигнал Y подається на вхід ЛЕ, що керує роботою ГІС. Якщо зріз фіксується при , тo генератор продовжує працювати до закінчення періоду, тобто до моменту, коли , а якщо зріз закінчується при , тo робота ГІС припиняється.

Розглянуті схеми ГІС мають досить низьку стабільність. Відносна нестабільність частоти подібних схем ГІС складає ~10-20%.

Рис. 2.10. Схема генератора завершених циклів.

Кварцовий генератор забезпечує високу стабільність частоти за рахунок таких високоякісних властивостей кварцового резонатора () як висока добротність та температурна стабільність на власній резонансній частоті. Такий генератор широко застосовується там, де потрібно мати точне значення частоти протягом тривалого часу.

На рис.2.11 зображено схему кварцового генератора імпульсів на двох інверторах. Її часто застосовують для роботи мікропроцесорів як генератор послідовності тактових імпульсів. Як і в попередніх схемах ГІС, інвертори разом з резистороми забезпечують м’який режим самозбудження, а разом з кварцовим резонатором і конденсатором служать для утворення релаксаційних процесів. Для ЛЕ ТТЛ конденсатор забезпечує різні за постійним зміщенням рівні крутих ділянок передаточних характеристик за умови, коли не робочій частоті .

Рис. 2.11. Схема кварцевого генератора імпульсів.

Частота кварцового ГІС визначається власною частотою кварцового резонатора. Наприклад, кварцовий ГІС на ТТЛ буде забезпечувати на виході частоту меандра 1МГц, якщо Ом, а мкФ. Дана схема генератора покладена в основу побудови мікросхеми генерації двофазної синхросерії для мікропроцесора К580-КР580ГФ24. Для побудови електронних годинників розроблена спеціальна мікросхема типу К512ПСЗ. В обох випадках до виводів цих мікросхем досить під’єднати кварцовий резонатор на потрібну частоту та кілька резисторів і конденсаторів.

Генератор лінійно-змінної напруги, найпростіша схема якого зображена на рис. 15, а, також належить до релаксаційних ГІС, бо має часозадаюче RC-коло, яке кероване розрядним ключем-інвертором. Функцію останнього у даній схемі виконує ЛЕ з відкритим колектором.

а) б)

Рис. 2.12. Схема генератора лінійно-змінної напруги та його часова епюра.

Як видно з рис.2.12, при вихідний транзистор ЛЕ закритий і конденсатор заряджається струмом джерела напруги через опір . Вихідна напруга припиняє зростати у момент подання вхідного імпульсу, тобто при .Отже, період генерування лінійно-змінної напруги задається періодом запускаючих імпульсів. Швидкий спад до нульового рівня вихідної напруги під час дії імпульсу зумовлений значним струмом розряду конденсатора через відкритий вихідний транзистор ЛЕ. Щоб цей струм (відкритого колектора) не перевищив допустимого значення, його обмежено опором . Якщо потрібно збільшити вихідний струм, застосовують паралельне ввімкнення аналогічних ЛЕ. Захист вихідного транзистора ЛЕ від пробою, який може виникнути при відсутності вхідних імпульсів, забезпечує обмежувальний кремнієвий діод .