ANALÓG ÉS DIGITÁLIS TECHNIKA I Dr. Lovassy Rita lovassy.rita@kvk.uni-obuda.hu Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet 3. ELŐADÁS BILLENŐ ÁRAMKÖRÖK 2010/2011 tanév 2. félév 1
IRODALOM AZ 3. ELŐADÁSHOZ U. Tietze, Ch. Schenk: Analóg és digitális áramkörök 169-194 oldalak 2
1. A tranzisztor mint kapcsoló Lineáris üzemmódban a tranzisztorok munkaponti kollektorfeszültségét UC úgy állítottuk be, hogy Ut és UCEsat értékei között legyen, így az eszközt a MP körül vezérelhettük. A lineáris áramkörök vezérlése kicsi, hogy a kimeneti feszültség közelítőleg lineáris függvénye legyen a bemeneti feszültségnek. A kimeneti feszültség nem érheti el a pozitív, ill. a negatív kivezérlési határt, mert akkor vágás keletkezne. Digitális áramkörök csak kétféle üzemmód szerint működnek. Ha a feszültség egy megadott Umax értéknél nagyobb, akkor a feszültség H (high) állapotú Ha a feszültség egy megadott Umin értéknél kisebb, akkor a feszültség L (low) állapotú 3
A tranzisztor mint inverter Az áramkörrel szemben támasztott követelmények: ha U be U min akkor ha U be U max akkor U ki U max U ki U min A feszültségek közötti összefüggések még a legkedvezőtlenebb esetben is teljesülniük kell (az Umax, Umin, RC és RB értékek 4 megfelelő választása)
Átviteli karakterisztika Rt RC Ut U ki 2 Ut U max 2 Smin L szintű zavartávolság Smax H szintű zavartávolság 5
L szintű zavartávolság növelésének módszerei R2 a tranzisztor CB visszáram körét zárja a tranzisztoron kívül, biztosítja, hogy a TR biztosan lezárjon. S max U ki U be U min U max feszültségosztó S min U min U ki U be U max 6
Dinamikus jellemzők, az inverter kapcsolási jellemzői Négyszögjelvezérlés esetén megkülönböztetett időtartományok tk: késleltetési idő (delay time) t1: lefutási idő (fall ime) tt: tárolási idő (storage time) tf: felfutási idő (rise time) 7
A kapu működési idejének definíciója t i min t i max t ik 2 tik A kapuáramkör működési ideje (propagation delay) 8
2. Telített logikájú billenőkörök Elvi elrendezés A billenőkörök pozitívan visszacsatolt digitális áramkörök. A kimeneti feszültségük két meghatározott érték között ugrál. Az átbillenési folyamatot különböző módon idézhetjük elő: Bistabil billenőköröknél a kimeneti állapot csak akkor változik, ha az átbillenési folyamatot egy bementi jel kiváltja, Tárolóknál elég egy rövid impulzus, Schmitt-triggernél folyamatos bementi jel 9
Különböző billenőkapcsolások csatolótagjai Monostabil áramkörnek egy stabil állapota van. A másik állapot csak a méretezéssel meghatározott ideig marad fent, egy idő eltelte után a kapcsolás magától ismét stabil helyzetbe billen vissza. Ezért időzítő kapcsolónak, egy stabil állapotú tárolónak is nevezzük. Astabil multivibrátornak nincs stabil állapota, külső vezérlés nélkül változtatja kimeneti állapotát két kimeneti szint között. Ezért multivibrátornak is nevezzük. 10
Bistabil billenőkör (flip-flop) A két fázisfordító fokozat soros kapcsolású és közvetlen csatolású. Működésük szempontjából egyenértékűek, ezért a szimmetrikus ábrázolás terjedt el. 11
BISTABIL BILLENŐKÖR R-S TÁROLÓ (FLIP-FLOP) _ RS L L L H H L H H Q Q nincs változás H L L H (L) (L) 12
Ha az S bementre pozitív feszültséget adunk, akkor T1 kinyit, kollektorfeszültsége lecsökken. Emiatt T2 bázisárama csökken és kollektorfeszültsége nő. Ez a növekedés visszahat az R1 ellenálláson keresztül T1 bázisára és annak bázisáramát növeli. A kapcsolás az állandósult állapotot akkor éri el, ha T1 kollektorfeszültsége a telítési értékre csökkent. A billenési folyamat végén az S bemenet feszültsége akár 0 is lehet anélkül, hogy bármilyen további változást okozna az áramkör működésében. Ha az R bementre pozitív impulzust adunk a bistabil billenőkapcsolás visszabillen. Ha mindkét bement feszültsége 0, akkor a tároló megtartja az előző állapotát információtárolásra használják. Ha mindkét bementre egyidejűleg H szintet adunk, mindkét tranzisztor kinyit. A bázisáramok ekkor kizárólag csak a vezérlőfeszültségektől függnek és függetlenek a szomszédos tranzisztortól, mert mindkét 13 nem stabil. kollektorfeszültség kicsi. Emiatt ez az állapot
Schmitt-trigger Az RS tároló mindig akkor billen, amikor az éppen lezárt állapotban lévő TR bázisára pozitív impulzust adunk, és az kinyitott. Schmitt-triggernél csak az egyik bemenetet használjuk, és az átbillenési folyamatot úgy váltjuk ki, hogy a bementre pozitív vagy negatív feszültséget adunk. 14
Schmitt-trigger átviteli karakterisztikája Ha a bementi feszültség túllépi az UM felső billenési küszöböt, akkor a kimeneti feszültség az Ukimax pozitív túlvezérlési határra ugrik, és csak akkor tér vissza ismét nullára, ha a bementi feszültség az alsó Um billenési küszöb alá csökken. Így használható a Schmitt-trigger, mint jelnégyszögesítő. 15
Schmitt-trigger, mint impulzusformáló A szinuszos feszültséget négyszögjellé alakítja át. A pozitív visszacsatolás miatt az átbillenési folyamat akkor is ugrásszerű, ha a bementi feszültség csak lassan változik. A be és kikapcsolási szint közötti feszültségkülönbséget hiszterézisfeszültségnek nevezzük. 16
Monostabil billenőkörök, monostabil multivibrátor Az áramköri megoldása az RS tárolóéból kiindulva, csupán a két visszacsatoló ellenállás egyikét kondenzátorral helyettesítve. Mivel a kondenzátorokon nem folyhat egyenáram, ezért állandósult állapotban a T2 vezet, T1 pedig lezár. 17
Feszültség-idő ábra A pozitív bemeneti impulzus a T1-et kinyitja, ezáltal UC1 értéke +Ut-ről nullára csökken. Ezt a feszültségugrást az RC felüláteresztő szűrő átviszi a T2 bázisára, aminek feszültsége 0,6V-ról Ut+0,6V ~ -Ut-ra változik és T2 lezár. Az R1 visszacsatoló ellenálláson keresztül T1 nyitva marad akkor is, amikor a bemeneti pozitív impulzus már megszűnt. A +Ut-re kötött ellenálláson keresztül a C feltöltődik. A T2 addig marad lezárva, amíg UB2 Kb. 0,6 V ra nem nő. tbe~rcln2~0,7rc tbe eltelte után a T2 ismét kinyit, a kapcsolás Ismét a stabil állapotába18tér vissza.
Astabil multivibrátor t1 idő alatt a T1 t2 idő alatt a T2 van lezárva. Ha a monostabil multivibrátornál a második visszacsatoló ellenállást is kondenzátorral helyettesítjük, akkor mindkét állapot csak korlátozott ideig marad stabil. Tehát a kapcsolás két állapot között billeg. 19
Jelalakok Időtartamok: t1 R1C1 ln 2 t 2 R2C 2 ln 2 20
3. Billenőkapcsolások emittercsatolt tranzisztorokkal Fázist nem fordító erősítőt differenciálerősítővel is készíthetünk. Emittercsatolt Schmitt-trigger, amelyben mindkét triggerküszöb pozitív. Méretezéssel megoldható, hogy átbillenés alkalmával az emitteráram egyik, Majd másik tranzisztoron folyik anélkül, hogy elérnék a telítési tartományt. 21
Átviteli karakterisztika 22
Emittercsatolt multivibrátor A töltéstárolási idő kiesése miatt az emittercsatolt multivibrátorok sokkal nagyobb frekvenciákon működhetnek, mint a telített logikájú áramkörök. Integrált áramkör típusok: TTL XR 2209 TTL SN 74LS 624 629 ECL MC 1658 fmax=1 MHz (Exar) fmax=20 MHz (Texas Instr.) fmax=150 MHz (Motorola) 23
4. Kapukból felépített multivibrátorok Bistabil billenőkör Tároló NEM-VAGY kapukból 24
Monostabil multivibrátor Pozitív és negatív éllel is indított monostabil multivibrátor Monostabil multivibrátor rövid időzítésre 25
Multivibrátor Schmitt-triggerrel A C kondenzátor a Schmitt-trigger felső billenési szintjéig töltődik az R ellenálláson át, és miután kimenete átbillent, csak az alsó billenési szintig sül ki. 26
5. Komparátoros kapcsolások Komparátorok, műveleti erősítő mint komparátor A ME nagy erősítése miatt nagyon kicsi U1-U2 bementi feszültségkülönbség hatása is határozott kimenti szintet ad. E tulajdonsága miatt két feszültség nagypontosságú összehasonlítására alkalmas. 27
Ablakkomparátor Megállapítja, hogy a bemeneti feszültség két meghatározott feszültség érték között van-e vagy azon kívül. Meghatározható, hogy a bementi feszültség az alsó Küszöbszint felett és a felső küszöbszint alatt van-e. 28
Schmitt-trigger A Schmitt-trigger olyan komparátor, amelynél a kétirányú változáshoz tartozó Küszöbszintek nem esnek egybe, hanem Uh hiszterézisfeszültséggel különböznek. Fázistfordító Schmitt-trigger és átviteli karakterisztikája R1 Um U ki min R1 R2 UM R1 U ki max R1 R2 R1 U ki max U ki min R1 R2 29 UH
Schmitt-trigger működése szinusz bemenő jelnél Fázistfordító Schmitt-trigger áramkör jelalakjai 30
Fázist nem fordító Schmitt-trigger Áramkör R U m 1 U ki min R2 átviteli karakterisztika UM R 1 U ki max R2 UH R1 U ki max U ki min R2 31
Schmitt-trigger működése szinusz bemenő jelnél Fázist nem fordító Schmitt-trigger áramkör jelalakjai 32
Pontos Schmitt-trigger Az ismertetett Schmitt-triggereknél a bementi billenési szintek nem olyan pontosak, Mint más műveleti erősítős kapcsolástól elvárunk. Ennek oka, hogy nem pontos Ukimax és Ukimin kimeneti túlvezérelt feszültségértékektől függnek. Ez a hátrány megszűnik, ha két komparátort használunk, amely a bemeneti jelet az előírt átkapcsolási szintekkel összehasonlítja. Átbillent egy RS tárolót, ha a bementi jel a felső triggerszintet túlllépte, az alsó szintnél pedig visszabillenti. Bekapcsolási szint UM=U2 Kikapcsolási szint Um=U1 Ha U2>U1 33
A változók értéke a bementi feszültség függvényében A pontos Schmitt-triggerekt nagyon egyszerű megépíteni az NE 521 kettős komparátorral, mert az már a két NEM-ÉS kaput tartalmazza. Kis frekvencián jól használható az egy tokkal megvalosított, NE 555-öt felhasználó Elrendezés. 34
Komparátoros multivibrátor 35
Multivibrátor pontos Schmitt-triggerrel A komparátoros multivibrátor frekvenciastabilitását megnövelhetjük a pontos Schmitt-trigger felhasználásával. NE 555 integrált Időzítő áramkör 36
Időzítő áramkörös monostabil multivibrátor Az NE 555-ös időzítő áramkört (timert) egyes impulzusok előállítására is jól használhatjuk. Különböző külső elemekkel néhány µs- tól néhány percig tartó időzítés előállítására is megfelelők. 37
Újraindítható monostabil multivibrátorok Vannak olyan esetek amikor az időzítést az előző kapcsolástól eltérően nem az Impulzussorozat első impulzusától kell megvalósítani, hanem az utolsótól. Az ilyen tulajdonságú monostabil multivibrátorokat újraindítható (retriggerelhető) monostabil multivibrátoroknak nevezzük. 38