 |
Основные характеристики мультивибратора
|
|
|
|
Введение
Тема моего курсового проекта – проектирование схемы мультивибратора на двух элементах КМОП.
Актуальность темы.
Мультивибратор - это простейший генератор импульсов. Работает он в так называемом режиме "автогенерации"- то есть при подачи питания начинает сам генерировать импульсы без постороннего вмешательства.
В цифровых устройствах на микросхемах большую роль играют различные формирователи импульсов - от кнопок и переключателей, из сигналов с пологими фронтами, дифференцирующие цепи, а также мультивибраторы.
В настоящее время почти каждое предприятие использует различные радиотехнические и электроприборы, в состав которых входят мультивибраторы, именно поэтому моя тема является актуальной.
Основная проблема: определить по материалам на тему моего курсового проекта, как проектировать схему мультивибратора на двух элементах кмоп.
Задачи:
1. Изучить специальную литературу по проектированию схемы мультивибратора на двух элементах КМОП.
2. Рассмотреть содержание ключевых понятий, таких, как: мультивибратор, симметричный мультивибратор, логические элементы серий КМОП, полевые транзисторы.
3. Проектирование логической и электрической схемы мультивибратора.
4. Расчет параметров элементов схемы.
Цель работы: при помощи всей данной и найденной мной литературы понять и спроектировать схему мультивибратора на двух элементах КМОП, для этого мне следует разобраться во всем теоретическом материале: выяснить, что такое мультивибратор, какие они бывают, что такое КМОП микросхемы и так далее.
Объектом моей работы является мультивибратор на двух элементах КМОП.
Предмет исследования - различные сведения по данной теме, взятые из книг, с различных сайтов в интернете.
|
|
|
Мультивибратор как основной узел цифровых устройств
Основные характеристики мультивибратора
Мультивибратор — релаксационный генератор электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами.
В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых активных компонентов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и другие), различающиеся режимом работы (автоколебательный, ждущие, с внешней синхронизацией синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и другими параметрами.
Мультивибратор относится к релаксационным генераторам. Релаксационный генератор является источником колебаний, форма которых отличается от синусоидальной. Релаксационные колебания бывают прямоугольные, пилообразные и т. д. Генераторы релаксационных колебаний используют для формирования одиночных импульсов и импульсных последовательностей, деления частоты, в качестве запускающих элементов, источников синхронизирующего сигнала и т. д.
Колебательный процесс в релаксационном генераторе состоит в поочередном накоплении энергии от источника питания накопителем и выделении ее в виде тепла в резисторах схемы. Накопитель переключается с процесса накопления на выделение энергии с помощью коммутирующего устройства при достижении определенного уровня энергии. Управление коммутирующим устройством производится по цепи обратной связи. Таким образом, релаксационный генератор обязательно содержит источник энергии, накопитель, коммутирующее устройство и цепь обратной связи. В качестве коммутирующего устройства обычно используют транзистор, работающий в ключевом режиме.
|
|
|
Релаксационный генератор может работать в одном из следующих режимов: ждущем, автоколебательном, синхронизации и деления частоты.
В ждущем режиме генератор имеет состояние устойчивого и квазиустойчивого равновесия. Квазиустойчивым равновесием называют такое состояние генератора, при котором он, будучи выведенным из состояния равновесия, через некоторое время возвращается к этому состоянию благодаря внутренним процессам. Переход из устойчивого равновесия в квазиустойчивое происходит под действием запускающих импульсов, а обратно генератор возвращается самопроизвольно через время, зависящее от параметров генератора.
В автоколебательном режиме состояния устойчивого равновесия нет, а существует два состояния квазиустойчивого равновесия. В процессе работы генератор переходит из одного квазиустойчивого состояния в другое. Период колебаний определяется параметрами генератора.
В режиме синхронизации на релаксационный генератор действует внешнее синхронизирующее напряжение. Генератор имеет также два квазиустойчивых состояния, однако период колебаний определяется синхронизирующим сигналом.
Среди большого числа разнообразных релаксационных генераторов можно выделить два типа в зависимости от способа организации обратной связи: мультивибраторы и блокинг-генераторы. Подобные генераторы широко применяются в импульсной технике. Мультивибратор представляет собой двухкаскадное устройство, обратная связь в котором образуется соединением выхода одного каскада со входом другого и, наоборот, с помощью конденсаторов. Блокинг-генератор — это устройство, обратная связь с выхода на вход которого осуществляется через импульсный трансформатор. Обратная связь в этих устройствах положительная.
Симметричный мультивибратор
Рисунок 1- Симметричный мультивибратор
Симметричный мультивибратор с базовыми времязадающими цепями имеет симметричную схему, которая показана на рисунке 1, а его временные диаграммы характерны тем, что напряжение на коллекторе открытого транзистора, если он насыщен (сплошная кривая), за время импульса не изменяется. Величина резких перепадов напряжения на коллекторе запирающегося и на базе отпирающегося транзистора из-за очень малого его входного сопротивления пренебрежимо мала.
|
|
|
Симметричный мультивибратор представляет собой двухкаскадный усилитель с резисторно-емкостными связями. Параметры элементов Ra, с и Ср, включенных в цепях обеих ламп, обычно одинаковы. Симметричные мультивибраторы на лампах и транзисторах широко применяются в качестве простых и надежных задающих генераторов импульсов в тех случаях, когда не требуется высокая стабильность частоты.
Симметричный мультивибратор на транзисторах работает по тому же принципу действия, что и ламповый.
Симметричный мультивибратор на лампах состоит из двух усилительных каскадов на резисторах, в которых выход одного каскада ЛС-цепочкой связан с входом другого. Каждый каскад собирается на идентичных элементах схемы. Каждый каскад схемы переворачивает фазу напряжения сигнала на 180, поэтому обратная связь между каскадами положительная (баланс фаз соблюден), вследствие чего общий коэффициент усиления / Сус1, следовательно, схема самовозбуждается. Так как каждый каскад пропускает достаточно большую полосу частот, самовозбуждение происходит на многих частотах сразу. Это значит, что генерируется широкий спектр частот. При этом форма выходного напряжения представляет собой периодическую последовательность импульсов.
Мультивибратор
..
..
Рисунок 2- Мультивибратор на операционном усилителе
Принципиально можно построить автоколебательный мультивибратор на инвертирующем компараторе с гистерезисом, показанный на рисунке 2, охваченном отрицательной обратной связью.
Делитель напряжения из пары резисторов R4, включенных в цепь обратной положительной связи переводят ОУ в режим компаратора с гистерезисом по инвертирующему входу, к которому подключена интегрирующая цепочка R2, C1. При переключении компаратора из состояние в состояние происходит изменение тока в интегрирующей цепочке и конденсатор начинает перезаряжаться в другую сторону до достижения другого порога компарации, и переключения полярности напряжения на выходе ОУ. В этой схеме ОУ выполняет сразу несколько функций: источника напряжений разряда и заряда конденсатора, компаратора и выходного ключа.
|
|
|
Рисунок 3- «классический» двухтранзистроный мультивибратор
Схема, указанная на рисунке 3, может находиться в одном из двух нестабильных состояний и периодически переходит из одного в другое и обратно. Фаза перехода очень короткая относительно длительности нахождения в состояниях благодаря глубокой положительной обратной связи, охватывающей два каскада усиления.
Пусть в состоянии 1 Q1 закрыт, Q2 открыт и насыщен, при этом C1 быстро заряжается током открытого базового перехода Q2 через R1 и Q2 почти до напряжения питания, после чего при полностью заряженном C1 через R1 ток прекращается, напряжение на C1 равно (ток базы Q2)·R2, а на коллекторе Q1 — напряжению питания.
При этом напряжение на коллекторе Q2 невелико (равно падению напряжения на насыщенном транзисторе).
C2, заряженный ранее в предыдущем состоянии 2 (полярность по схеме), медленно разряжается через открытый Q2 и R3. При этом напряжение на базе Q1 отрицательно и этим напряжением он удерживается в закрытом состоянии. Запертое состояние Q1 сохраняется до того, пока C2 не перезарядится через R3 и напряжение на базе Q1 не достигнет порога его отпирания (около +0,6 В). При этом Q1 начинает приоткрываться, напряжение его коллектора снижается, что вызывает начало запирания Q2, напряжение коллектора Q2 начинает увеличиваться, что через конденсатор C2 еще больше открывает Q1. В результате в схеме развивается лавинообразный регенеративный процесс, приводящий к тому, что Q1 переходит в открытое насыщенное состояние, а Q2 наоборот полностью запирается.
Далее колебательные процессы в схеме периодически повторяются.
Длительности нахождения транзисторов в закрытом состоянии определяются постоянными времени для Q2 - T2 = С1·R2, для Q1 — T1 = C2·R3.
Номиналы R1 и R4 выбираются намного меньшие, чем R3 и R2, чтобы зарядка конденсаторов через R1 и R4 была быстрее, чем разрядка через R3 и R2. Чем больше будет время зарядки конденсаторов, тем положе окажутся фронты импульсов. Но отношения R3/R1 и R2/R4 не должны быть больше, чем коэффициенты усиления соответствующих транзисторов, иначе транзисторы не будут открываться полностью.
|
|
|
