5.B Impulzustechnikai alapáramkörök Impulzusok elıállítása Értelmezze a félvezetı elemek és a mőveleti erısítı kapcsoló üzemmódját, a stabil- és a kvázistabil állapotot! Magyarázza el a tranzisztoros vagy mőveleti erısítıvel felépített bistabil, monostabil és astabil multivibrátor mőködését és értelmezze jellemzıiket! Ismertesse a Schmitt-trigger és a főrészjel elıállító áramkörök mőködését, s értelmezze jellemzıiket! Mutassa be az impulzus-elıállító áramkörök gyakorlati szerepét! Billenıkapcsolások Az impulzuselıállító áramkörök, más néven billenıkapcsolások pozitívan visszacsatolt digitális áramkörök. Oszcillátorok A billenıkapcsolások az oszcillátoroktól (a pozitívan visszacsatolt lineáris áramköröktıl) abban különböznek, hogy a kimeneti feszültségük nem folyamatosan változik, hanem két meghatározott érték: egy magas (H high) és egy alacsony (L low) feszültségszint között váltakozik. A két állapot közötti átmenet nagyon gyorsan valósul meg. Bistabil billenıkapcsolás A bistabil billenıkapcsolásnak (amit bistabil multivibrátornak, vagy flip-flopnak is neveznek) két stabil állapota van. A bistabil billenıköröknél a kimenet állapota csak akkor változik, ha az átbillenési folyamatot egy bemeneti jel kiváltja. Ez a bemeneti jel szintén egy impulzus. A bistabil billenıkapcsolás áramköri rajza Bistabil billenıkapcsolás és feszültségeinek változása
Az ábrán egy bistabil billenıkapcsolás áramköri rajza látható. A bemeneti négyszögimpulzust a C d jelő kondenzátor differenciálja, míg a D és D diódák biztosítják, hogy a lezáró impulzus mindig a nyitott tranzisztor bázisára kerüljön. Ha az áramkört tápfeszültségre kapcsoljuk, akkor valamelyik tranzisztor nyitott állapotba kerül (tételezzük fel, hogy ez a T tranzisztor), amely a pozitív visszacsatolás révén lezárja a másik tranzisztort (T -t). Ebben az esetben a nyitott T tranzisztor kollektorán közel 0 V a feszültség, a bázisán pedig az és ellenállások által leosztott pozitív feszültség mérhetı. A D dióda ilyenkor záróirányban van elıfeszítve. A lezárt T tranzisztor kollektorán közel tápfeszültség, bázisán a s segédfeszültség jön létre. A negatív segédfeszültség a tranzisztorok stabil lezárását biztosítja. A D dióda anódja és katódja pedig közelítıen azonos potenciálon van. A bemeneti négyszögjel differenciált lefutó éle a T bázisára jut, amelynek hatására a T tranzisztor lezár, és kollektorpotenciálja közel tápfeszültségre kerül. Ez az és feszültségosztón a T bázisára jut és nyitja azt. Megtörténik az átbillenés, amely állapot mindaddig megmarad, amíg a következı negatív impulzus a T tranzisztort ki nem nyitja. E tulajdonsága miatt a bistabil billenıkapcsolást bináris információtárolóként is használják. Monostabil billenıfokozat A monostabil billenıkörnek egyetlen stabil állapota van, azaz bemeneti vezérlı-impulzus nélkül a kimeneti feszültség egy rögzített értéken marad. Ha egy külsı vezérlıjellel a másik állapotába billentjük, ezt az állapotát csak meghatározott ideig tartja meg, majd visszabillen stabil állapotába. Az ábrán egy monostabil billenıkapcsolás áramköri rajza látható. Monostabil billenıkapcsolás és feszültségeinek változása Az áramkör stabil állapota Az áramkör stabil állapotában a T tranzisztor vezet, a T pedig zárva van. Mivel a T kollektora közel tápfeszültségen, bázisa pedig közel földpotenciálon van, a C kondenzátor ennek megfelelıen pozitív polaritású feszültséggel töltıdik fel.
Négyszögimpulzus A bemenetre adott négyszögimpulzust a C d kondenzátor differenciálja, a D dióda pedig a jelnek csak a negatív félperiódusát engedi át. A negatív vezérlı impulzus a T tranzisztor bázisára jutva lezárja azt, kollektorpotenciálja közel tápfeszültségre kerül, ami a T tranzisztort vezetı állapotba hozza. A T nyitásával a C kondenzátor az ellenálláson keresztül elkezd kisülni, majd ellentétes polaritással feltöltıdni. Ha a kondenzátor feszültsége a töltıdés során eléri a T nyitásához szükséges szintet, a T kinyit és lezárja a T tranzisztort. Az áramkör ismét stabil állapotba kerül. A T tranzisztor bázisára jutó impulzus idıtartamát a C és elemek értéke határozza meg: t be 0, 7 C A kimenet A kimenet akkor is visszabillen a kiszámított kapcsolási idı elteltével, ha a bemeneti impulzus hosszabb, mint t be. Ebben az esetben a T tranzisztor a bemeneti impulzus megszőnéséig nyitva marad, és a pozitív visszacsatolás hatástalan. A kapcsolási folyamat végén kell a C kondenzátort az ellenálláson keresztül feltölteni. Ha a kondenzátor a következı impulzusig nem töltıdik fel teljesen, akkor a következı bekapcsolási idı lerövidül. Ahhoz, hogy ez a jelenség %-nál kisebb hibát okozzon, a T tranzisztort legalább 5 C feléledési idıre zárva kell tartani. Monostabil billenıkör A monostabil billenıkörnek egyetlen stabil állapota van, azaz bemeneti vezérlı-impulzus nélkül a kimeneti feszültség egy rögzített értéken marad. Stabil állapot Az áramkör stabil állapotában a T tranzisztor vezet, a T pedig zárva van. Mivel a T kollektora közel tápfeszültségen, bázisa pedig közel földpotenciálon van, a C kondenzátor ennek megfelelıen pozitív polaritású feszültséggel töltıdik fel. Astabil billenıfokozat Az astabil billenıkapcsolás egyetlen stabil állapottal sem rendelkezik, ezért négyszögfeszültséget állít elı. Azért kapta a multivibrátor elnevezést, mert a négyszögfeszültségnek igen sok felharmonikusa van. Az ábrán egy monostabil billenıkapcsolás áramköri rajza látható. A pozitív visszacsatolás mindkét tranzisztor esetén kapacitív jellegő. Az astabil billenıkapcsolás és feszültségeinek változása 3
Feltételezzük, hogy a T tranzisztor vezet, és ezért a T zárva van. A C kondenzátor az ellenálláson keresztül töltıdik. Amikor a kondenzátor feszültsége eléri a T tranzisztor nyitófeszültségét, a T kinyit és lezárja a T tranzisztort. Vagyis az áramkör átbillen a másik állapotába. A T tranzisztor csak addig vezet, amíg a C kondenzátor az ellenálláson keresztül nem töltıdik fel annyira, hogy a T tranzisztort kinyissa. Ha a T tranzisztor kinyit - a pozitív visszacsatolás miatt - lezárja a T -t, és az áramkör újra átbillen. A kapcsolás tehát folyamatosan a két állapot között billeg. A két állapot idıtartama az idızítı elemek értékétıl függ: t 0, 7 C, t 0, 7 C. Astabil multivibrátor mőveleti erısítıvel Astabil multivibrátort tranzisztorok helyett mőveleti erısítıvel is megépíthetünk. Figyeljük meg az ábrán látható kapcsolás felépítését! A mőveleti erısítıvel megépített astabil multivibrátor részei: mőveleti erısítı, feszültségosztó (, ), integráló C tag ( T, C T ). Astabil multivibrátor kapcsolási rajza A mőveleti erısítıvel felépített astabil multivibrátor mőködése Egy mőveleti erısítıt pozitívan csatolunk vissza az és az ellenállásokkal, a kimenetérıl pedig egy integráló C tagot mőködtetünk. Az integrátor kimeneti feszültsége az invertáló bemenetet vezérli. A mőveleti erısítı összehasonlítja a töltıdı, kisülı kondenzátor pillanatnyi feszültségét a kimeneti feszültség leosztott értékével, vagyis komparátorként mőködik. Jelöljük a mőveleti erısítı maximális feszültségszintjét M -mel, a minimális kimeneti feszültségszintjét m -mel. A kondenzátor ezen szélsıértékek felé igyekszik töltıdni, illetve kisülni. A visszacsatolásban alkalmazott feszültségosztó miatt, amelynek osztásaránya a =, + a kimeneti feszültségszintben bekövetkezı váltás (komparáció) a szélsıértékek a-szoros leosztottjánál történik. A kondenzátor töltése az ábra jelöléseit használva a M m T = T CT ln M a M ideig tart, míg a kisütési szakasz a 4
a m M T = T CT ln m a m összefüggés alapján határozható meg. Ha az áramkörben a nullaponthoz képest a komparáció szimmetrikus vagyis szimmetrikus tápfeszültség-elrendezés esetén, akkor: = m M és a kimeneti négyszögjel 50%-os kitöltési tényezıjő. Ekkor a periódusidı a T = T C T ln + összefüggés alapján számítható. A mőveleti erısítıvel megépített astabil multivibrátor elınye, hogy a kitöltési tényezıje változtatható a komparációs vonatkoztatási pont változtatásával. Ebben az esetben a földhöz viszonyított tápfeszültséget kell aszimmetrizálni. Így a kitöltési tényezı 0 és 00% között változtatható anélkül, hogy az eredı periódusidı változna. Schmitt-trigger A Schmitt-trigger egy olyan bistabil billenıkör, melynek kimeneti jele a bemeneti jel amplitúdójának a nagyságától függ. Ez az áramkör tulajdonképpen egy küszöbérték-kapcsoló. Kapcsolási rajza alapján vizsgáljuk meg az áramkör mőködését! Schmitt-trigger bistabil billenıkör és feszültségeinek változása Az áramkör mőködése Alapállapotban a T tranzisztor zárva van, T pozitív nyitófeszültséget kap, így kollektorán közel földpotenciál mérhetı. Ha a bemeneti feszültség elér egy adott pozitív értéket, a T kollektorárama lezárja a T tranzisztort, amelynek kollektorpotenciálja közelítıen a tápfeszültséggel lesz egyenlı. Ha a bemeneti feszültség ezután az elért pozitív értékrıl folyamatosan csökken, akkor egy feszültségértéknél ( < ) a T tranzisztor lezár és T kinyit, így a kimeneti feszültség minimális ( m ) értékő lesz. Hiszterézis Megfigyelhetı, hogy a billenések nem ugyanazon a feszültségszinten következnek be. Ezt a jelenséget az áramkör hiszterézisének nevezzük. A triggerkapcsolás hiszterézise A triggerkapcsolás hiszterézisén azt a feszültségkülönbséget értjük, amely az bekapcsolási és az kikapcsolási küszöbérték között fennáll: H =. A Schmitt-trigger átviteli karakterisztikáját az ábra szemlélteti. 5
Jelek amplitúdó uniformizálása A Schmitt-trigger átviteli karakterisztikája Hiszterézis-típusok A felhasználástól függıen a hiszterézis lehet: kívánt (elıre beállított), vagy nem kívánt (hibát okozó). A gyakorlatban az H feszültségkülönbséget általában elıre beállítják. A Schmitt-trigger nagyon fontos, igen sokszor alkalmazott áramkör, többek között különbözı amplitúdójú jelek amplitúdó uniformizálására használható. Átviteli karakterisztika A Schmitt-trigger átviteli karakterisztikáját az ábra szemlélteti. Bistabil billenıkör A bistabil billenıköröknél a kimenet állapota csak akkor változik, ha az átbillenési folyamatot egy bemeneti jel kiváltja. Ez a bemeneti jel szintén egy impulzus. Hiszterézis Megfigyelhetı, hogy a billenések nem ugyanazon a feszültségszinten következnek be. Ezt a jelenséget az áramkör hiszterézisének nevezzük. Küszöbérték-kapcsoló A Schmitt-trigger egy olyan bistabil billenıkör, melynek kimeneti jele a bemeneti jel amplitúdójának a nagyságától függ. Ez az áramkör tulajdonképpen egy küszöbérték-kapcsoló. Jelformáló áramkör felépítése A mőveleti erısítık széleskörő alkalmazhatóságát bizonyítja, hogy jelformáló áramkört is építhetünk a segítségével. Az ábrán két, mőveleti erısítıs Schmitt-trigger alapkapcsolását láthatjuk: az invertáló és a nem invertáló tulajdonságú szintérzékelıt. Jelformáló áramkör kapcsolási rajza, bemeneti és kimeneti jelalakjai A mőveleti erısítıvel felépített jelformáló áramkör mőködése A mőveleti erısítıvel megépített Schmitt-trigger áramkör részei: mőveleti erısítı, 6
visszacsatolás ( ), feszültségosztó (, ), billenési szint változtató (P). A kapcsolások billenését az, osztóval kialakított pozitív visszacsatolás okozza. A mőveleti erısítıvel felépített kapcsolások differenciálbemenetét fel tudjuk használni a billenési szint változtatására, amelyet a P jelő potenciométerrel állíthatunk be. AZ INVETÁLÓ TÍPS BILLENÉSI FELTÉTELEI A bekapcsolás feltétele: beb = kim + Visszafelé a folyamat hiszterézissel játszódik le, azaz nem ugyanazon a feszültségen billen vissza a kapcsolás. A kikapcsolás feltétele: bek = kim + A hiszterézis a két bemeneti feszültség különbsége: be = ( ) kim kim + A NEM INVETÁLÓ TÍPS BILLENÉSI FELTÉTELEI A bekapcsolás feltétele: beb = kim Visszafelé ez a folyamat is hiszterézissel játszódik le, azaz nem ugyanazon a feszültségen billen vissza a kapcsolás. A kikapcsolás feltétele: bek = kim A hiszterézis a két bemeneti feszültség különbsége: be = ( ) kim kim Főrészjelek elıállítása Lineáris feszültség-idı függvény Idıben lineárisan változó feszültség- illetve áramjel elıállítása gyakran szükséges. Az elektronikában sokféle berendezésben kell alkalmazni ilyen lefolyású jelet, például: az oszcilloszkópokban eltérítı feszültségnek, bizonyos típusú analóg-digitál konverterek összehasonlító jeleként, impulzustechnikai idızítésekhez. Főrészfeszültség Ilyen idıben lineárisan változó feszültségnek tekinthetı a főrész alakú feszültség, vagy más néven főrészfeszültség. A főrészfeszültség jellemzıi A főrészfeszültség jellemzıi a következık: felfutási idı: T f, lefutási idı: T l, felfutási sebesség: 7
v =, T f f lefutási sebesség: v l =. T l Főrészfeszültség elıállítása Lineárisan növekvı feszültséget elvileg elıállítani egy kondenzátorral lehet, amelyet állandó árammal töltünk. Ez az ideális eset azonban a gyakorlatban sohasem valósítható meg, mindig egy exponenciális jelalak alakul ki. Ennek kezdeti szakasza tekinthetı jó közelítéssel lineárisnak. Ezen az elven mőködik az ábrán látható főrészjel elıállító kapcsolás. Főrészfeszültség elıállító áramkör A valóságos főrészfeszültség jellemzıi Az ideális főrészfeszültség jellemzıi Egy telepbıl, ellenállásból és kondenzátorból kialakított áramkörnél a kondenzátorban kialakuló feszültség nemlineárisan (exponenciálisan) növekszik, mert a kondenzátor feltöltıdésével a töltıáram csökken. Az utánhúzó kapcsolás Az ábrán látható áramkörben azonban a feltöltött C kondenzátor által szolgáltatott segédfeszültség minden idıpillanatban akkora értékő, hogy a C kondenzátort töltı áramkörben folyó áram állandó értékő maradjon. Az ilyen elven mőködı áramkört utánhúzó (angolul: boot-strap) kapcsolásnak nevezik. A tranzisztor bázis-emitter feszültségének egyenletes növekedése miatt a kimeneten lineárisan növekvı feszültséget kapunk A C jelő kondenzátor töltıdése a kapcsoló nyitására indul. A tranzisztor bázis-emitter feszültségének egyenletes növekedése miatt a kimeneten lineárisan növekvı feszültséget kapunk. Ha a K kapcsolót zárjuk, akkor a C kondenzátor az ellenálláson keresztül gyorsan kisül, a kimeneti feszültség is gyorsan lecsökken. 8