1

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

2

IRODALOM AZ 3. ELŐADÁSHOZ

U. Tietze, Ch. Schenk: Analóg és digitális áramkörök

169-194 oldalak

3

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

4

A tranzisztor mint inverter

minbeU U

maxbeU U

maxkiU U

Az áramkörrel szemben támasztott követelmények:

minkiU U

ha

ha

akkor

akkor

A feszültségek közötti összefüggések még a legkedvezőtlenebb esetben is teljesülniük kell (az Umax, Umin, RC és RB értékek megfelelő választása)

5

Átviteli karakterisztika

t CR R

maxS

max 2 tU

U

L szintű zavartávolság

H szintű zavartávolság

2 t

ki

UU

minS

6

L szintű zavartávolság növelésének módszerei

max min max ki beS U U U U min min max ki beS U U U U

R2 a tranzisztor CB visszáram körét zárja a tranzisztoron kívül, biztosítja, hogy a TRbiztosan lezárjon.

feszültségosztó

7

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)

8

min max

2

i i

ik

t tt

A kapu működési idejének definíciója

tikA kapuáramkör működési ideje(propagation delay)

9

2. Telített logikájú billenőkörök

• Elvi elrendezés

A billenőkörök pozitívan visszacsatolt digitális áramkörök. A kimeneti feszültségükkét meghatározott érték között ugrál. Az átbillenési folyamatot különböző módonidézhetjük 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

10

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.

11

Bistabil billenőkör (flip-flop)

• A két fázisfordító fokozat soros kapcsolású és közvetlen csatolású. Működésük szempontjából egyenértékűek, ezért a szimmetrikus ábrázolás terjedt el.

12

BISTABIL BILLENŐKÖRR-S TÁROLÓ (FLIP-FLOP)

_R S Q QL L nincs változásL H H LH L L HH H (L) (L)

13

• 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 kollektorfeszültség kicsi. Emiatt ez az állapot nem stabil.

14

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.

15

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.

16

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.

17

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.

18

Feszültség-idő ábra

A pozitív bemeneti impulzus a T1-et kinyitja,ezáltal UC1 értéke +Ut-ről nullára csökken.Ezt a feszültségugrást az RC felüláteresztőszűrő átviszi a T2 bázisára, aminek feszültsége0,6V-ról –Ut+0,6V ~ -Ut-ra változik és T2 lezár.

Az R1 visszacsatoló ellenálláson keresztül T1nyitva marad akkor is, amikor a bemeneti pozitív impulzus már megszűnt.

A +Ut-re kötött ellenálláson keresztül a C feltöl-Tődik. 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 állapotába tér vissza.

19

Astabil multivibrátor

• 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.

t1 idő alatt a T1t2 idő alatt a T2 van lezárva.

20

Jelalakok

• Időtartamok:

1 1 1 ln 2t R C

2 2 2 ln 2t R C

21

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.

22

Átviteli karakterisztika

23

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 fmax=1 MHz (Exar)TTL SN 74LS 624…629 fmax=20 MHz (Texas Instr.)ECL MC 1658 fmax=150 MHz (Motorola)

24

4. Kapukból felépített multivibrátorok

• Bistabil billenőkör

Tároló NEM-VAGY kapukból

25

Monostabil multivibrátor

Monostabil multivibrátor rövid időzítésre

Pozitív és negatív éllel is indítottmonostabil multivibrátor

26

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.

27

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 nagypontosságúösszehasonlítására alkalmas.

28

Ablakkomparátor

Megállapítja, hogy a bemeneti feszültség két meghatározott feszültség érték közöttvan-e vagy azon kívül. Meghatározható, hogy a bementi feszültség az alsó Küszöbszint felett és a felső küszöbszint alatt van-e.

29

Schmitt-trigger

1min

1 2

m ki

RU U

R R1

max1 2

M ki

RU U

R R 1

max min1 2

H ki ki

RU U U

R R

A Schmitt-trigger olyan komparátor, amelynél a kétirányú változáshoz tartozó Küszöbszintek nem esnek egybe, hanem Uh hiszterézisfeszültséggel különböznek.

Fázistfordító Schmitt-trigger és átviteli karakterisztikája

30

Schmitt-trigger működése szinusz bemenő jelnél

Fázistfordító Schmitt-trigger áramkör jelalakjai

31

Fázist nem fordító Schmitt-trigger

1min

2

m ki

RU U

R1

max2

M ki

RU U

R 1

max min2

H ki ki

RU U U

R

Áramkör átviteli karakterisztika

32

Schmitt-trigger működése szinusz bemenő jelnél

Fázist nem fordító Schmitt-trigger áramkör jelalakjai

33

Pontos Schmitt-triggerAz 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 jeletaz 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

34

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.

35

Komparátoros multivibrátor

36

Multivibrátor pontos Schmitt-triggerrel

A komparátoros multivibrátor frekvenciastabilitását megnövelhetjük a pontos Schmitt-trigger felhasználásával.

NE 555 integráltIdőzítő áramkör

37

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.

38

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.