Цифровая электроника

Формирователи и генераторы импульсных сигналов

Схема задержки на основе интегрирующей цепи

Наряду с формирователями и генераторами сигналов на базе операционных усилителей, рассмотренных ранее, широко используются схемы на базе логических элементов. Электрические параметры входных и выходных сигналов таких схем определяются типами используемых в них интегральных логических элементов и, поэтому, эти схемы широко используются в качестве времязадающих, генерирующих и синхронизирующих узлов цифровой электроники. Рассмотрим схемотехнику и принципы работы некоторых таких схем.

Схема задержки на основе интегрирующей RC-цепи и логических элементов (инверторов) представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема задержки на основе интегрирующей цепи и логических элементов.

Будем считать, что в схеме используются элементы ТТЛ-типа, напряжение на вход всей схемы поступает с выхода аналогичного элемента ТТЛ-типа и последовательная цепь из диода VD и резистора R_огр в схему не включена. В исходном состоянии на входе схемы действует напряжение логического нуля E_0. Для элементов ТТЛ-типа E₀=0,2 В, E₁=3,5 В, U_пор=1,5 В. Для определения напряжения на конденсаторе в исходном состоянии рассмотрим входную цепь логического элемента (рис. 3.2):

Рис. 3.2. Входная интегрирующая цепь с логическим элементом ТТЛ.

Для этой цепи можно записать

,

где для элементов ТТЛ-типа E=5 B; U_бэ=0,8 В; R_б=4 кОм.

.

В момент времени t₁ напряжение U_вх становится равным уровню логической единицы E₁. Конденсатор начинает заряжаться через резистор R и в момент времени t₂ напряжение на конденсаторе достигнет значения U_пор, при котором срабатывает логический элемент ЛЭ1, а значит и ЛЭ2 (рис. 3.3).

Для величины задержки переднего фронта входного импульса имеем

.

После подстановки установившихся значений u_c(t) получим

.

Рис. 3.3. Временная диаграмма работы схемы задержки на основе интегрирующей цепи.

Поскольку заряд конденсатора осуществляется через резистор R, то . Очевидно, что для формирования задержки отличной от нуля должно выполняться условие U_С0<U_пор, т.е.

.

Решая неравенство, получаем R<1,9 кОм.

Подставим значения:

.

Из полученной формулы следует, что с увеличением R задержка возрастает за счет увеличения t, а с другой стороны, уменьшается за счет уменьшения значения логарифма. Наибольшего значения выражение  достигает при R=930 Ом. Выбираем ближайший к полученному значению номинал из стандартного ряда R=910 Ом. В этом случае получаем

 или

.

С окончанием входного импульса конденсатор разряжается через резистор R и переход коллектор-эмиттер предыдущего логического элемента. При этом

.

При R=910 Ом имеем

В;

.

На практике часто требуется получить задержку только переднего фронта. При этом задержка заднего фронта не имеет значения. В этом случае необходимо, чтобы схема возвращалась в исходное состояние сразу с окончанием импульса на входе т.е. следует сократить время разряда конденсатора C. Для этого параллельно резистору R включается последовательная цепочка из диода VD и ограничительного резистора R_огр. Разряд конденсатора в этом случае происходит через диод, ограничительный резистор и переход коллектор–эмиттер предыдущего логического элемента. Резистор R_огр необходим для того, чтобы ток разряда конденсатора не превышал значения  максимального выходного тока логического нуля используемого логического элемента в предыдущем каскаде, например, 16 мА для элемента 155 серии или 8 мА для элемента 555 серии. Максимальное значение тока разряда для схемы рис. 3.1 равно

.

Таким образом, должно выполняться условие: .

Учитывая, что для кремниевых диодов прямое падение напряжения  В, то после подстановки получим условие для определения

 или

.

Так для элементов 155 серии

 Ом.

Ближайший номинал из стандартного ряда равен 160 Ом.

Использование R_огр позволяет также сохранять на выходе предыдущего логического элемента уровень логического нуля при разряде конденсатора, что может быть важным, если этот выход подсоединен еще к каким–либо элементам. Таким образом, получаем

.

В большинстве практических случаев резистор R_огр не ставится. При этом ток разряда может превысить допустимое значение I⁰_вых, что приведет к увеличению напряжения на выходе предыдущего элемента. Однако, поскольку разряд конденсатора происходит очень быстро, то ток разряда не приводит к тепловому пробою выходного транзистора предыдущего логического элемента.

В случае использования элементов КМОП-типа можно принять: , и . Таким образом, для задержки переднего фронта получим

.

При этом t_зад2 определяется той же формулой т.е. .

При использовании элементов КМОП-типа особое внимание следует обращать на величину токов заряда и разряда конденсатора, которые протекают через выходные транзисторы предыдущего логического элемента и не должны превышать значения  мА.